已經(jīng)掌握了匯編語言？沒錯(cuò)，你現(xiàn)在已經(jīng)可以去破譯別人代碼中的秘密。然而，我們還有一件重要的東西沒有提到，那就是自程序和中斷。這兩件東西是如此的重要，以至于你的程序幾乎不可能離開它們。
在高級(jí)語言中我們經(jīng)常要用到子程序。高級(jí)語言中，子程序是如此的神奇，我們能夠定義和主程序，或其他子程序一樣的變量名，而訪問不同的變量，并且，還不和程序的其他部分相沖突。
然而遺憾的是，這種“優(yōu)勢(shì)”在匯編語言中是不存在的。
匯編語言并不注重如何減輕程序員的負(fù)擔(dān)；相反，匯編語言依賴程序員的良好設(shè)計(jì)，以期發(fā)揮CPU的最佳性能。匯編語言不是結(jié)構(gòu)化的語言，因此，它不提供直接的“局部變量”。如果需要“局部變量”，只能通過堆或棧自行實(shí)現(xiàn)。
從這個(gè)意義上講，匯編語言的子程序更像GWBASIC中的GOSUB調(diào)用的那些“子程序”。所有的“變量”(本質(zhì)上，屬于進(jìn)程的內(nèi)存和寄存器)為整個(gè)程序所共享，高級(jí)語言編譯器所做的，將局部變量放到堆或棧中的操作，只能自行實(shí)現(xiàn)。
參數(shù)的傳遞是靠寄存器和堆棧來完成的。高級(jí)語言中，子程序(函數(shù)、過程，或類似概念的東西)依賴于堆和棧來傳遞。
讓我們來簡(jiǎn)單地分析一下一般高級(jí)語言的子程序的執(zhí)行過程。無論C、C++、BASIC、Pascal，這一部分基本都是一致的。
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毋庸置疑，堆棧在整個(gè)過程中發(fā)揮著非常重要的作用。不過，本質(zhì)上對(duì)子程序最重要的還是返回地址。如果子程序不知道這個(gè)地址，那么系統(tǒng)將會(huì)崩潰。
調(diào)用子程序的指令是CALL，對(duì)應(yīng)的返回指令是RET。此外，還有一組指令，即ENTER和LEAVE，它們可以幫助進(jìn)行堆棧的維護(hù)。
CALL指令的參數(shù)是被調(diào)用子程序的地址。使用宏匯編的時(shí)候，這通常是一個(gè)標(biāo)號(hào)。CALL和RET，以及ENTER和LEAVE配對(duì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于堆棧的自動(dòng)操作，而不需要程序員進(jìn)行PUSH/POP，以及跳轉(zhuǎn)的操作，從而提高了效率。
作為一個(gè)編譯器的實(shí)現(xiàn)實(shí)例，我用Visual C++編譯了一段C++程序代碼，這段匯編代碼是使用特定的編譯選項(xiàng)得到的結(jié)果，正常的RELEASE代碼會(huì)比它精簡(jiǎn)得多。包含源代碼的部分反匯編結(jié)果如下(取自Visual C++調(diào)試器的運(yùn)行結(jié)果，我刪除了10條int 3指令，并加上了一些注釋，除此之外，沒有做任何修改)：
| 1: int myTransform(int nInput){ 00401000 push ebp ; 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)原先的EBP指針 00401001 mov ebp,esp 2: return (nInput*2 + 3) % 7; 00401003 mov eax,dword ptr [nInput] ; 取參數(shù) 00401006 lea eax,[eax+eax+3] ; LEA比ADD加法更快 0040100A cdq ; DWORD->QWORD(擴(kuò)展字長(zhǎng)) 0040100B mov ecx,7 ; 除數(shù) 00401010 idiv eax,ecx ; 除 00401012 mov eax,edx ; 商->eax(eax中保存返回值) 3: } 00401014 pop ebp ; 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的ebp指針 00401015 ret ; 返回 ; 此處刪除10條int 3指令，它們是方便調(diào)試用的，并不影響程序行為。 4: 5: int main(int argc, char* argv[]) 6: { 00401020 push ebp ; 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)原先的EBP指針 00401021 mov ebp,esp 00401023 sub esp,10h ; 為取argc, argv修正堆棧指針。 7: int a[3]; 8: for(register int i=0; i<3; i++){ 00401026 mov dword ptr [i],0 ; 0->i 0040102D jmp main+18h (00401038) ; 判斷循環(huán)條件 0040102F mov eax,dword ptr [i] ; i->eax 00401032 add eax,1 ; eax ++ 00401035 mov dword ptr [i],eax ; eax->i 00401038 cmp dword ptr [i],3 ; 循環(huán)條件: i與3比較 0040103C jge main+33h (00401053) ; 如果不符合條件，則應(yīng)結(jié)束循環(huán) 9: a[i] = myTransform(i); 0040103E mov ecx,dword ptr [i] ; i->ecx 00401041 push ecx ; ecx (i) -> 堆棧 00401042 call myTransform (00401000); 調(diào)用myTransform 00401047 add esp,4 ; esp+=4: 在堆中的新單元 ; 準(zhǔn)備存放返回結(jié)果 0040104A mov edx,dword ptr [i] ; i->edx 0040104D mov dword ptr a[edx*4],eax ; 將eax(myTransform返回值) ; 放回a[i] 10: } 00401051 jmp main+0Fh (0040102f) ; 計(jì)算i++，并繼續(xù)循環(huán) 11: return 0; 00401053 xor eax,eax ; 返回值應(yīng)該是0 12: } 00401055 mov esp,ebp ; 恢復(fù)堆棧指針 00401057 pop ebp ; 恢復(fù)BP 00401058 ret ; 返回調(diào)用者(C++運(yùn)行環(huán)境) |
上述代碼確實(shí)做了一些無用功，當(dāng)然，這是因?yàn)榫幾g器沒有對(duì)這段代碼進(jìn)行優(yōu)化。讓我們來關(guān)注一下這段代碼中，是如何調(diào)用子程序的。不考慮myTransform這個(gè)函數(shù)實(shí)際進(jìn)行的數(shù)值運(yùn)算，最讓我感興趣的是這一行代碼：
| 00401003 mov eax,dword ptr [nInput] ; 取參數(shù) |
這里nInput是一個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的變量符號(hào)嗎？Visual C++的調(diào)試器顯然不能告訴我們答案——它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了方便程序調(diào)試，而不是向你揭示編譯器生成的代碼的實(shí)際構(gòu)造。我用另外一個(gè)反匯編器得到的結(jié)果是：
| 00401003 mov eax,dword ptr [ebp+8] ; 取參數(shù) |
這和我們?cè)趍ain()中看到的壓棧順序是完全吻合的(注意，程序運(yùn)行到這個(gè)地方的時(shí)候，EBP=ESP)。main()最終將i的值通過堆棧傳遞給了myTransform()。
剖析上面的程序只是說明了我前面所提到的子程序的一部分用法。對(duì)于匯編語言來說，完全沒有必要拘泥于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的框架(在今天，使用匯編的主要目的在于提高執(zhí)行效率，而不是方便程序的維護(hù)和調(diào)試，因?yàn)閰R編不可能在這一點(diǎn)上做得比C++更好)�？紤]下面的程序：
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void myTransform1(int nCount, char* sBytes){ |
很容易看出，這兩個(gè)函數(shù)包含了公共部分，即
| for(i=0; i<nCount; i++) sBytes[i] <<= 1; |
目前，還沒有編譯器能夠做到將這兩部分合并。依然沿用剛才的編譯選項(xiàng)，得到的反匯編結(jié)果是(同樣地刪除了int 3)：
| 1: void myTransform1(int nCount, char* sBytes){ 00401000 push ebp 00401001 mov ebp,esp 00401003 push ecx 2: for(register int i=1; i<nCount; i++) 00401004 mov dword ptr [i],1 0040100B jmp myTransform1+16h (00401016) 0040100D mov eax,dword ptr [i] 00401010 add eax,1 00401013 mov dword ptr [i],eax 00401016 mov ecx,dword ptr [i] 00401019 cmp ecx,dword ptr [nCount] 0040101C jge myTransform1+3Dh (0040103d) 3: sBytes[i] += sBytes[i-1]; 0040101E mov edx,dword ptr [sBytes] 00401021 add edx,dword ptr [i] 00401024 movsx eax,byte ptr [edx-1] 00401028 mov ecx,dword ptr [sBytes] 0040102B add ecx,dword ptr [i] 0040102E movsx edx,byte ptr [ecx] 00401031 add edx,eax 00401033 mov eax,dword ptr [sBytes] 00401036 add eax,dword ptr [i] 00401039 mov byte ptr [eax],dl 0040103B jmp myTransform1+0Dh (0040100d) 4: for(i=0; i<nCount; i++) 0040103D mov dword ptr [i],0 00401044 jmp myTransform1+4Fh (0040104f) 00401046 mov ecx,dword ptr [i] 00401049 add ecx,1 0040104C mov dword ptr [i],ecx 0040104F mov edx,dword ptr [i] 00401052 cmp edx,dword ptr [nCount] 00401055 jge myTransform1+6Bh (0040106b) 5: sBytes[i] <<= 1; 00401057 mov eax,dword ptr [sBytes] 0040105A add eax,dword ptr [i] 0040105D mov cl,byte ptr [eax] 0040105F shl cl,1 00401061 mov edx,dword ptr [sBytes] 00401064 add edx,dword ptr [i] 00401067 mov byte ptr [edx],cl 00401069 jmp myTransform1+46h (00401046) 6: } 0040106B mov esp,ebp 0040106D pop ebp 0040106E ret 7: 8: void myTransform2(int nCount, char* sBytes){ 00401070 push ebp 00401071 mov ebp,esp 00401073 push ecx 9: for(register int i=0; i<nCount; i++) 00401074 mov dword ptr [i],0 0040107B jmp myTransform2+16h (00401086) 0040107D mov eax,dword ptr [i] 00401080 add eax,1 00401083 mov dword ptr [i],eax 00401086 mov ecx,dword ptr [i] 00401089 cmp ecx,dword ptr [nCount] 0040108C jge myTransform2+32h (004010a2) 10: sBytes[i] <<= 1; 0040108E mov edx,dword ptr [sBytes] 00401091 add edx,dword ptr [i] 00401094 mov al,byte ptr [edx] 00401096 shl al,1 00401098 mov ecx,dword ptr [sBytes] 0040109B add ecx,dword ptr [i] 0040109E mov byte ptr [ecx],al 004010A0 jmp myTransform2+0Dh (0040107d) 11: } 004010A2 mov esp,ebp 004010A4 pop ebp 004010A5 ret 12: 13: int main(int argc, char* argv[]) 14: { 004010B0 push ebp 004010B1 mov ebp,esp 004010B3 sub esp,0CCh 15: char a[200]; 16: for(register int i=0; i<200; i++)a[i]=i; 004010B9 mov dword ptr [i],0 004010C3 jmp main+24h (004010d4) 004010C5 mov eax,dword ptr [i] 004010CB add eax,1 004010CE mov dword ptr [i],eax 004010D4 cmp dword ptr [i],0C8h 004010DE jge main+45h (004010f5) 004010E0 mov ecx,dword ptr [i] 004010E6 mov dl,byte ptr [i] 004010EC mov byte ptr a[ecx],dl 004010F3 jmp main+15h (004010c5) 17: myTransform1(200, a); 004010F5 lea eax,[a] 004010FB push eax 004010FC push 0C8h 00401101 call myTransform1 (00401000) 00401106 add esp,8 18: myTransform2(200, a); 00401109 lea ecx,[a] 0040110F push ecx 00401110 push 0C8h 00401115 call myTransform2 (00401070) 0040111A add esp,8 19: return 0; 0040111D xor eax,eax 20: } 0040111F mov esp,ebp 00401121 pop ebp 00401122 ret |
非常明顯地，0040103d-0040106e和00401074-004010a5這兩段代碼存在少量的差別，但很顯然只是對(duì)寄存器的偏好不同(編譯器在優(yōu)化時(shí)，這可能會(huì)減少堆棧操作，從而提高性能，但在這里只是使用了不同的寄存器而已)
對(duì)代碼進(jìn)行合并的好處是非常明顯的。新的操作系統(tǒng)往往使用頁式內(nèi)存管理。當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，程序往往會(huì)頻繁引發(fā)頁面失效(Page faults)，從而引發(fā)操作系統(tǒng)從磁盤中讀取一些東西。磁盤的速度趕不上內(nèi)存的速度，因此，這一行為將導(dǎo)致性能的下降。通過合并一部分代碼，可以減少程序的大小，這意味著減少頁面失效的可能性，從而軟件的性能會(huì)有所提高?/p>
當(dāng)然，這樣做的代價(jià)也不算低——你的程序?qū)⒆兊秒y懂，并且難于維護(hù)。因此，再進(jìn)行這樣的優(yōu)化之前，一定要注意：
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中斷應(yīng)該說是一個(gè)陳舊的話題。在新的系統(tǒng)中，它的作用正在逐漸被削弱，而變成操作系統(tǒng)專用的東西。并不是所有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都提供中斷，然而在x86系統(tǒng)中，它的作用是不可替代的。
中斷實(shí)際上是一類特殊的子程序。它通常由系統(tǒng)調(diào)用，以響應(yīng)突發(fā)事件。
例如，進(jìn)行磁盤操作時(shí)，為了提高性能，可能會(huì)使用DMA方式進(jìn)行操作。CPU向DMA控制器發(fā)出指令，要求外設(shè)和內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)，而不通過CPU。然后，CPU轉(zhuǎn)去進(jìn)行起他的操作；當(dāng)數(shù)據(jù)交換結(jié)束時(shí)，CPU可能需要進(jìn)行一些后續(xù)操作，但此時(shí)它如何才能知道DMA已經(jīng)完成了操作呢？
很顯然不是依靠CPU去查詢狀態(tài)——這樣DMA的優(yōu)勢(shì)就不明顯了。為了盡可能地利用DMA的優(yōu)勢(shì)，在完成DMA操作的時(shí)候，DMA會(huì)告訴CPU“這事兒我辦完了”，然后CPU會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行處理。
這種處理可能很復(fù)雜，需要若干條指令來完成。子程序是一個(gè)不錯(cuò)的主意，不過，CALL指令需要指定地址，讓外設(shè)強(qiáng)迫CPU執(zhí)行一條CALL指令也違背了CPU作為核心控制單元的設(shè)計(jì)初衷。考慮到這些，在x86系統(tǒng)中引入了中斷向量的概念。
中斷向量表是保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)(實(shí)模式下，是0:0開始的一段區(qū)域)的一組指針。這組指針指向每一個(gè)中斷服務(wù)程序的地址。整個(gè)中斷向量表的結(jié)構(gòu)是一個(gè)線性表。
每一個(gè)中斷服務(wù)有自己的唯一的編號(hào)，我們通常稱之為中斷號(hào)。每一個(gè)中斷號(hào)對(duì)應(yīng)中斷向量表中的一項(xiàng)，也就是一個(gè)中斷向量。外設(shè)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，而CPU自己將根據(jù)當(dāng)前的程序狀態(tài)決定是否中斷當(dāng)前程序并調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)。
不難根據(jù)造成中斷的原因?qū)⒅袛喾譃閮深悾河布袛嗪蛙浖袛�。硬件中斷有很多分類方法，如根�?jù)是否可以屏蔽分類、根據(jù)優(yōu)先級(jí)高低分類，等等。考慮到這些分類并不一定科學(xué)，并且對(duì)于我們介紹中斷的使用沒有太大的幫助，因此我并不打算太詳細(xì)地介紹它(在本教程的高級(jí)篇中，關(guān)于加密解密的部分會(huì)提到某些硬件中斷的利用，但那是后話)。
在設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)時(shí)，中斷向量的概念曾經(jīng)帶來過很大的便利。操作系統(tǒng)隨時(shí)可能升級(jí)，這樣，通過CALL來調(diào)用操作系統(tǒng)的服務(wù)(如果說每個(gè)程序都包含對(duì)于文件系統(tǒng)、進(jìn)程表這些應(yīng)該由操作系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)的直接操作的話，不僅會(huì)造成程序的臃腫，而且不利于系統(tǒng)的安全)就顯得不太合適了——沒人能知道，以后的操作系統(tǒng)的服務(wù)程序入口點(diǎn)會(huì)不會(huì)是那兒。軟件中斷的存在為解決這個(gè)問題提供了方便。
對(duì)于一臺(tái)包含了BIOS的計(jì)算機(jī)來說，啟動(dòng)的時(shí)候系統(tǒng)已經(jīng)提供了一部分服務(wù)，例如顯示服務(wù)。無論你的BIOS、顯示卡有多么的“個(gè)性”，只要他們和IBM PC兼容，那么此時(shí)你肯定可以通過調(diào)用16(10h)號(hào)中斷來使用顯示服務(wù)。調(diào)用中斷的指令是
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這將引發(fā)CPU去調(diào)用一個(gè)中斷。CPU將保存當(dāng)前的程序狀態(tài)字，清除Trap和Interrupt兩個(gè)標(biāo)志，將即將執(zhí)行的指令地址壓入堆棧，并調(diào)用中斷服務(wù)(根據(jù)中斷向量表)。
編寫中斷服務(wù)程序不是一件容易的事情。很多時(shí)候，中斷服務(wù)程序必須寫成可重入代碼(或純代碼，pure code)。所謂可重入代碼是指，程序的運(yùn)行過程中可以被打斷，并由開始處再次執(zhí)行，并且在合理的范圍內(nèi)(多次重入，而不造成堆棧溢出等其他問題)，程序可以在被打斷處繼續(xù)執(zhí)行，并且執(zhí)行結(jié)果不受影響。
由于在多線程環(huán)境中等其他一些地方進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)也需要考慮這個(gè)因素，因此這里著重講一下可重入代碼的編寫。
可重入代碼最主要的要求就是，程序不應(yīng)使用某個(gè)指定的內(nèi)存地址的內(nèi)存(對(duì)于高級(jí)語言來說，這通常是全局變量，或?qū)ο蟮某蓡T)。如果可能的話，應(yīng)使用寄存器，或其他方式來解決。如果不能做到這一點(diǎn)，則必須在開始、結(jié)束的時(shí)候分別禁止和啟用中斷，并且，運(yùn)行時(shí)間不能太長(zhǎng)。
下面用C語言分別舉一個(gè)可重入函數(shù)，和兩個(gè)非可重入函數(shù)的例子(注. 這些例子應(yīng)該是在某本多線程或操作系統(tǒng)的書上看到的，遺憾的是我想不起來是哪本書了，在這里先感謝那位作者提供的范例)：
可重入函數(shù)：
| void strcpy(char* lpszDest, char* lpszSrc){ while(*dest++=*src++); *dest=0; } |
非可重入函數(shù)
| char cTemp; // 全局變量 void SwapChar(char* lpcX, char* lpcY){ cTemp = *lpcX; *lpcX = *lpcY; lpcY = cTemp; // 引用了全局變量，在分享內(nèi)存的多個(gè)線程中可能造成問題 } |
非可重入函數(shù)
| void SwapChar2(char* lpcX, char* lpcY){ static char cTemp; // 靜態(tài)變量 cTemp = *lpcX; *lpcX = *lpcY; lpcY = cTemp; // 引用了靜態(tài)變量，在分享內(nèi)存的多個(gè)線程中可能造成問題 } |
中斷利用的是系統(tǒng)的棧。棧操作是可重入的(因?yàn)闂？梢员ＷC“先進(jìn)后出”)，因此，我們并不需要考慮棧操作的重入問題。使用宏匯編器寫出可重入的匯編代碼需要注意一些問題。簡(jiǎn)單地說，干脆不要用標(biāo)號(hào)作為變量是一個(gè)不錯(cuò)的主意。
使用高級(jí)語言編寫可重入程序相對(duì)來講輕松一些。把持住不訪問那些全局(或當(dāng)前對(duì)象的)變量，不使用靜態(tài)局部變量，堅(jiān)持只適用局部變量，寫出的程序就將是可重入的。
書歸正傳，調(diào)用軟件中斷時(shí)，通常都是通過寄存器傳進(jìn)、傳出參數(shù)。這意味著你的int指令周圍也許會(huì)存在一些“幫手”，比如下面的代碼：
| mov ax, 4c00h int 21h |
就是通過調(diào)用DOS中斷服務(wù)返回父進(jìn)程，并帶回錯(cuò)誤反饋碼0。其中，ax中的數(shù)據(jù)4c00h就是傳遞給DOS中斷服務(wù)的參數(shù)。
到這里，x86匯編語言的基礎(chǔ)部分就基本上講完了，《簡(jiǎn)明x86匯編語言教程》的初級(jí)篇——匯編語言基礎(chǔ)也就到此告一段落。當(dāng)然，目前為止，我只是蜻蜓點(diǎn)水一般提到了一些學(xué)習(xí)x86匯編語言中我認(rèn)為需要注意的重要概念。許多東西，包括全部匯編語句的時(shí)序特性(指令執(zhí)行周期數(shù)，以及指令周期中各個(gè)階段的節(jié)拍數(shù)等)、功能、參數(shù)等等，限于個(gè)人水平和篇幅我都沒有作詳細(xì)介紹。如果您對(duì)這些內(nèi)容感興趣，請(qǐng)參考Intel和AMD兩大CPU供應(yīng)商網(wǎng)站上提供的開發(fā)人員參考。
在以后的簡(jiǎn)明x86匯編語言教程中級(jí)篇和高級(jí)篇中，我將著重介紹匯編語言的調(diào)試技術(shù)、優(yōu)化，以及一些具體的應(yīng)用技巧，包括反跟蹤、反反跟蹤、加密解密、病毒與反病毒等等。
，我們將會(huì)及時(shí)處理。如轉(zhuǎn)載本網(wǎng)內(nèi)容，請(qǐng)注明出處。