汇编系列02-借助操作系统输出Hello World

说明:本节的程序使用的是x86_64指令集的。

汇编语言是可以编译成机器指令的，机器指令是可以直接在CPU上面执行的。我们编写的汇编程序既可以直接在操作系统的帮助下执行，也可以绕过操作系统，直接在硬件上执行。

如果你打算编写的汇编程序在操作系统帮助下执行，那么你的汇编可以调用很多操作系统暴露的系统调用，或者别的语言的函数库，比如C语言的标准库中的函数。但是如果你打算编写绕过操作系统执行的汇编，会比较累，比如往显示器上显示一串字符串这件事情，如果你打算让操作系统帮你执行，你可以在汇编程序中直接调用系统调用（这一节我们打算这么做），来控制硬件（操作系统能帮助我们控制硬件），如果你打算自己去控制硬件，就比较麻烦点（下一节我们打算这么做）。

Hello World汇编文件编写

hello.asm文件的内容（等一会再详细剖析代码）：

;hello.asm  交给nasm汇编器汇编的程序，通过英文分号开头表示注释
section .datamsg db "Hello, wolrd",0,0xA     ;db表示define byte，即字节类型，逗号后边的0表示字符串结尾;字符串中的每个字符占用一个字节,0xA是十六进制数，对应的换行符的ASCII码;这样后边输出字符串的时候，就可以还行了
section .bss
section .textglobal main
main:mov rax,1       ;为了后续使用syscall，先将系统调用号1（含义是write）存到寄存器rax中mov rdi,1       ;rdi寄存器通常表示目的地，1表示标准输出mov rsi,msg     ;rsi寄存器通常表示来源地，需要显示的是字符串，存放在rsi中mov rdx,14      ;字符串的长度和末尾的0及换行符的长度。注意，汇编中的数字，如果不加0x前缀或者h后缀，表示的是十进制syscall         ;发起x86_64的系统调用，显示字符串mov rax,60      ;程序的返回结果放在rax寄存器中，60表示退出，如果为负数表示发生了错误mov rdi,0       ;0表示成功退出码syscall         ;退出

hello.asm同一个目录下的makefile文件内容：

#hello.asm的makefile makefile的注释用#开头
hello: hello.o
# no-pie选项是为了关闭pie，从而生成可调试的可执行文件
# pie是position independent executable的意思，表示与地址无关的
# 如果编译器在生成可执行程序的过程中使用了pie，那么当可执行程序被加载到内存中时，其加载地址存在不可预知性gcc -o hello hello.o -no-pie
hello.o: hello.asm
# nasm -f 后边表示的是输出的格式
# elf64表示的是64位可执行和可链接的格式nasm -f elf64 hello.asm

编译、执行

pilaf@pilaf-thinkpad:~/assembly_x64/hello_asm$ pwd
/home/pilaf/assembly_x64/hello_asm
pilaf@pilaf-thinkpad:~/assembly_x64/hello_asm$ ls
hello.asm  makefile
pilaf@pilaf-thinkpad:~/assembly_x64/hello_asm$ make 
nasm -f elf64 hello.asm
gcc -o hello hello.o -no-pie
pilaf@pilaf-thinkpad:~/assembly_x64/hello_asm$ ls
hello  hello.asm  hello.o  makefile
pilaf@pilaf-thinkpad:~/assembly_x64/hello_asm$ ./hello 
Hello, wolrd
pilaf@pilaf-thinkpad:~/assembly_x64/hello_asm$ 

make命令后生成了一个可执行的hello文件，然后执行它，在shell中输出了Hello, world。

反编译可执行文件

下面我们通过gdb看一下hello可执行程序反汇编的结果：

dissassemble/r main，可以显示出main函数（global main定义）的十六进制指令及其汇编指令关系，最左边的蓝色的一列是二进制可执行程序的内存地址（逻辑地址）。可以看到syscall指令的机器码是0f05。
上边很有意思的是这几行：

   0x0000000000401110 <+0>:	    b8 01 00 00 00	mov    eax,0x10x0000000000401115 <+5>:	    bf 01 00 00 00	mov    edi,0x10x000000000040111a <+10>:	48 be 28 40 40 00 00 00 00 00	movabs rsi,0x4040280x0000000000401124 <+20>:	ba 0e 00 00 00	mov    edx,0xe0x0000000000401129 <+25>:	0f 05	syscall 0x000000000040112b <+27>:	b8 3c 00 00 00	mov    eax,0x3c0x0000000000401130 <+32>:	bf 00 00 00 00	mov    edi,0x0

内存地址后边跟着的尖括号中的"+数字"表示相对第一个指令的内存地址的偏移字节数。
第二条指令mov edi,0x1相对于第一条指令mov eax,0x1偏移了5个字节，正好就是b8 01 00 00 00这5个字节所占的内存长度。而mov edi,0x1也占用了5个字节的内存，所以它后便的内存中的指令movabs rsi,0x404028相对于它又增加了5个字节（10-5=5）。

还有我们发现有mov eax的地方，机器码都是b8开头，有mov edi的地方，机器码都是bf开头，后便跟着4个字节，就是mov指令有操作数。这也就是说了mov eax，mov edi在指令中一共才占用1个字节，这1个字节就表示了mov和寄存器两个信息了。
我们还可以发现，b8、bf后边跟着的4个字节（32位整数的十六进制表示），和mov指令右操作数好像不一样啊，其实这是因为Intel CPU采用的是小端字节序，对应的还有大端字节序。所谓的大端还是小端，指的是将一个多字节的数存放到内存的时候，这个数字的权重大的字节（比如，十进制的102这个数字的1的权重比2大）放在内存低地址还是权重小的字节放在内存低地址。如果权重低的字节放在内存低地址，就是小端字节序，如果权重大的字节放在内存低地址就是大端字节序。
我们的0x01是0x00000001这个四字节数的简写，但是却把01这个字节放在内存低地址，所以它是小端字节序。

等等，不知道你有没有发现一个问题，我们hello.asm中用的不是rax么？怎么反编译完了变成了eax了？好多r开头的寄存器怎么都变成e开头的了？这是因为r开头的寄存器是64位的，e开头的是32位的，汇编器发现mov右操作数没有必要用64位寄存器存储，就优化了。不知你是否还记得，8086的几个通用寄存器，ax、bx、cx、dx（它们又可以拆分为两个8位寄存器，如ah、al，h表示high，l表示low），80386开始有eax、ebx、ecx、edx，e表示extend扩展的意思，它们都是32位的寄存器了，到了64位，有了rax、rbx、rcx、rdx这些寄存器。类似的还有ip、eip、rip表示存放下一个指令内存地址的寄存器。

系统调用方式之syscall

好了，让我们再来看看syscall这个汇编指令。
书上说，进行系统调用的可以通过下面三种方式：

1. INT（中断Interrupt，旧的方式，不太推荐用了）
2. syscall指令（syscall是汇编指令，我们hello.asm中用到了）
3. 程序库API（如C语言的标准库中的printf就对write系统调用进行了封装）

作为菜鸟的我，看到《x64汇编语言：从新手到AVX专家》中给出的这段汇编，有很多地方不明白的，比如mov rax,1和mov rdi,1中的1有什么联系？为什么要往rax中mov，不往别的寄存器mov？
带着这些疑问，我man了一下syscall（Linux shell中执行了man syscall）：

内容很长，我只截了一部分。从中我们可以看到，C头文件中也定义了一个syscall的函数（名字和汇编的syscall指令相同），它是一个小的库函数，它用于调用一些系统调用，这些系统调用（系统调用是操作系统对硬件操作的封装，对硬件操作少不了汇编指令，Linux操作系统的系统调用的实现都是C语言中嵌套着汇编）的汇编接口有特定的号码和参数。syscall函数可以调用其它的系统调用，只需要按照调用约定将系统调用号和参数传递给它即可。
也就是说，汇编提供了一个syscall指令用于调用操作系统的系统调用，只需要将操作系统的系统调用号和参数准备好就可以了。
我们可以通过汇编直接调用syscall指令，也可以用C语言提供的syscall函数（这个函数内部实现肯定是包了汇编指令syscall的）。
并且系统调用号的数字和符号表示关系在<sys/syscall.h>中有定义。

syscall汇编指令的用法

我继续阅读man syscall给出的信息，发现下面这些有用的信息。
表一：

文档直接给出了x86-64的syscall指令的使用方法，也就是说调用syscall之前，需要将系统调用号（System call #，英文中经常用井号表示Number的缩写）放到rax寄存器，返回值1放到rax中，返回值2放到rdx中。
还有下面的入参信息。
表二：

说明了x86-64的系统调用的参数1放在rdi寄存器中，参数2放在rsi寄存器中，参数3放在rdx寄存器中，参数4放在r10寄存器中，参数5放在r8寄存器中，参数6放在r9寄存器中。

回到我们的hello.asm，我们用了汇编的syscall指令调用了操作系统的系统调用，按照上面截图中说的x86-64使用syscall汇编指令的时候，会将操作系统的系统调用号放到rax寄存器中，我们的程序写的是mov rax,1，也就是说系统调用号是1，我们刚才看到说系统调用号和它的符号表示在<sys/syscall.h>头文件中的，我们在CLion（Jetbrains全家桶中的C语言集成开发环境IDE）中随便打开一个c文件，引入头文件：

一路追踪下来，终于发现，操作系统调用号为1的系统调用名称是write！废话不多说，直接执行man 2 write看看：

可以看到Linux操作系统的write系统调用的参数有三个，第一个是文件描述符（Linux中一切皆文件，0表示标准输入，1表示的标准输出文件描述符，2表示错误输出），第二个参数是一个指针，即输入内容起始内存地址，第三个参数表示输入的字节数。
上面表二中说了，Linux操作系统的系统调用的入参，第一个放到rdi寄存器，第二个放到rsi寄存器，第三个放到rdx寄存器等等。结合man 2 write得到的知识，传递给write系统调用的三个参数分别是1，msg的地址，14（Hello, world字符及其结尾0加上换行一共14字节）。
也就是说我们的hello.asm干了这么件事情：通过汇编的syscall指令，调用了Linux系统调用write，让write往标准输出上面输出14个字节，内容是"Hello, world"然后换行。

总结

作为菜鸟的我在运行书中的一段hello world程序的时候，书中很多地方没有写明为什么这样做，笔者通过一点点摸索，终于搞清楚其底层的运行逻辑，顿感欢喜，以此记录，希望能帮到和我一样菜的菜鸟。也希望大家不要浮躁，沉下心来，夯实基础，做一个有工匠精神的码农，也许某一天平时积累的点滴就派上了大用场。加油！

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参考资料
1.《x64汇编语言：从新手到AVX专家》
2.《汇编程序设计与计算机体系结构 软件工程师教程》P211