C++：提高篇： 栈-寄存器和函数状态：windows X86-64寄存器介绍

本篇博客是：栈-寄存器和函数状态专题第一篇文章，主要解释计算机中寄存器相关知识技术，下面的分析，我们都是基于下面这张图。

💙💙💙💙：重点
%ebp 和 %esp：栈是从高地址向低地址延伸的。每个函数的每次调用，都有它自己独立的一个栈帧，%esp总是指向当前栈帧的顶部(低地址)，而%ebp通常指向当前栈帧的底部(高地址)，用于在栈帧中寻址

1、什么是寄存器

寄存器实际上知识存储数据的地方，只不过它集成在CPU里，访问寄存器的速度比访问内存更快，而内存的访问速度比硬盘更快。

2、寄存器分类

由于寄存器属于底层基础设施，贴近硬件，因此在不同体系结构和操作系统上，寄存器使用方式各异，但是基本上可以分为特殊功能寄存器和普通寄存器，特殊功能寄存器一般用于特定的功能，而普通寄存器可以随意使用。

3、windows X86寄存器命名规则

• 前缀R：表示64位寄存器。例如：RAX
• 前缀E：表示32位寄存器。例如：EAX
• 后缀L：表示寄存器的低8位。
• 后缀H：表示寄存器的9~16位

4、寄存器相关术语

• byte：字节单位，表示8位二进制，是计算机的最小存储单元
• WORD：字。一个字通常是指；两个字节（16位），针对windows X64平台，这个规则总是成立的，其他一些小众的平台不一定满足这一点。
• DWORD：windows API的类型，用于表示“double world”的数据，即32位。
• QWORD：windows API的类型，用于表示“qual word”的数据，即63位。
• x86_x64：这是intel最先推出的指令集
• 栈帧：用于记录程序在某时刻栈的状态，例如在调用一个函数之前，需要保存栈帧，用于在完成调用之后恢复现场。

5、寄存器分类

特殊功能寄存器分为：通用寄存器，索引寄存器。（我们以64位寄存器为例介绍）
---------------------------------------------------------------🎄🎄下面介绍通用寄存器-------------------------------------

1. 通用功能寄存器：主要有四种即 【AX，BX，CX，DX】

2. 

3. 细节方面：AX，BX，CX，DX可以再往下划分
   👩AX（Accumlator Register)：累加寄存器，它主要用于输入/输出和大规模的指令运算
   👩BX(Base Register)：基址寄存器，用来存储基础访问地址。
   👩CX(Count Register)：计数寄存器，在迭代的操作中会循环计数。
   👩DX(Data Register)：数据寄存器，它用于输入/输出操作，它还与AX一起使用，用于涉及大数值的乘法和除法运算。

4. 这四种寄存器可以分为上半部分和下半部分。
   👨【AX寄存器可以分为两个独立的 8位 AH 和 AL寄存器】
   👨【BX寄存器可以分为两个独立的 8位 BH 和 BL寄存器】
   👨【CX寄存器可以分为两个独立的 8位 CH 和 CL寄存器】
   👨【DX寄存器可以分为两个独立的 8位 DH 和 DL寄存器】
   
   
   👩‍🦰 AX的地位（0-7）位构成了 AL 寄存器，高8位(8-15)位构成了AH寄存器。

5. 在认识了寄存器之后，我们通过一个示例看一下数据的具体存储方式。
   比如：数据 19， 它在16 位存储器中所存储的表示如下：
   
   寄存器的存储方式先是存储 低位，如果低位满足不了就存储高位，如果低位能够满足，高位就用0补全，在其他低位也能满足的情况下，其余位也用0补全。

-------------------------------------------------------🎪🎪🎢索引寄存器---------------------------------------------------
🎈🎈下面介绍索引寄存器

1. 索引寄存器主要包含段地址的偏移量，索引寄存器主要分为：
2. BP （Base Pointer）: 基础指针，它是栈寄存器上的偏移量，用来定位栈上的变量。
3. SP （Stack Point）: 栈指针，它是栈寄存器上的偏移量，用来定位栈顶。
4. SI （Source Index）:变址寄存器，用来拷贝源字符串。
5. DI（Destination Index）: 目标变址寄存器，用来复制目标字符串。

------------------------------------------------🎭🎭🎭控制寄存器----------------------------------------------------------
🎀🎀下面介绍状态和控制寄存器
这两种寄存器是指令指针寄存器和 标志寄存器
IP （Instruction Pointer）：指令指针寄存器，它是从Code Segment代码寄存器处的偏移来存储执行的下一条指令。
FLAG：FLAG寄存器用于存储当前进程的状态，这些状态有

• 位置（Direction）：用于数据块的传输方向，是向上传输还是向下传输
• 中断标志位(Interrupt)： 1–允许，0 --禁止
• 陷入位(Trap) ： 确定每条指令执行完成后，CPU是否应该停止。1–开启，0—关闭
• 进位(Carry) ：设置最后一个无符号算术是否带有进位
• 溢出(Overflow)： 设置最后一个由符号的运算是否溢出
• 符号(Sign)： 如果最后一次算术运算为负，则设置 1 —负， 0 —正
• 零位(Zero) ：如果最后一次算术运算结果为零， 1–零
• 辅助进位（Aux Carry）: 用于第三位到第四位的进位
• 奇偶校验 (Parity)：用于奇偶校验

5.1、RAX(accumulator register)

1. accumulator register， 累加寄存器，👩通常用于存储函数的返回值，它主要用于输入/输出和大规模的指令运算，AX 寄存器可以说是使用频率最高的寄存器。

2. 也可以用于存储其他值，只是通过RAX存储函数返回值属于惯例。
   

3. 上图我们可以看到这个寄存器分为8个字节（每个字节8位），RAX是64位寄存器的称呼。
   🤶🎅🤶 但是这个寄存器是可以拆分的，例如我们操作EAX，就是在对RAX的低32位进行操作。
   同样类推：
   AX表示RAX的低16位
   AH表示RAX低16位中的高8位
   AL表示RAX低16位中的低8位
   除了了 RIP之外，其余的寄存器都可以做类似的拆分。

4. 举例

mov ax,20  /* 将数字20存入寄存器 AX中*/
mov ah,80  /* 将数字80 存入寄存器 AX中的 AH(高位寄存器)中*/
mov al,10  /* 将数字10 存入寄存器 AX中的 AL(低位寄存器)中*/

5.2、RBX(Base register)

base register 基址寄存器，一般用于访问内存的基址
👩 ：BX也被称为数据寄存器，即表明其能够暂存一般数据，同样也可以将BX当做两个独立的 8位寄存器使用即 BH 和BL

👨 BX除了具有暂存数据的功能之外，还用于寻址（即寻找物理地址），这就是为什么也有人将其称为基址寄存器，那么它存放的数据一般就用来作为偏移地址使用，因为偏移地址是相对于基址地址上的偏移。

5.3、RDX(Data register)

🧑：DX也是数据寄存器，能够暂存一般性数据。

5.4、RCX(counter register)

👧：counter register，计数寄存器。一般用于循环计数。

1. 也可以称为数据寄存器，能够暂存一般性数据，可以分为CH 和CL
2. 它也有专门功能：即计数器功能，当汇编指令使用 循环LOOP时，可以通过 CX来指定需要循环的次数，每次执行循环LOOP时间，CPU会做两件事
   一件事是：计数器自动减1
   另一件事是：判断CX中的值，如果CX中的值为0则跳出循环，继续执行循环下面的指令，如果CX中的值不为0，则会继续执行循环中所指定的指令。
   

--------------------------------------索引寄存器--------------------------------------------------------------------

5.5、RSI(Source index)

source index : 源变址寄存器，字符串运算时常应用于源指针

5.6、RDI(Destination index)

destination index 目标变址寄存器，字符串运算时常用于目标指针。

5.7、RSP(stack pointer)

1. stack Pointer 栈指针寄存器
2. 正常情况下存放栈顶地址
3. 如果用于其他事务，使用完成之后需要恢复原先的数据
   

5.8、RBP(Base pointer)

1. base pointer 基址寄存器
2. 正常情况用于访问栈底地址，与RBP功能类似
3. 如果用于其他事务，使用完成之后需要恢复原先的数据
   

---------------------------------------🧶🧶🧶控制寄存器--------------------------------------------------------------

5.9、RIP(instruction pointer)

1. instruction pointer 指令指针
2. 只读且不可拆分，指向下一条需要执行指令的地址
   

6、普通寄存器

6.1、R8~R15

1. R8，R9, R10…R15属于普通寄存器，一般是可以任意使用的，不指定特定用途，支持拆分
2. 拆分规则与特殊功能寄存器有所不同。 32位拆分寄存器以 D作为后缀(DWORD)，16位寄存器以 W作为后缀 (WORD)，8位则以 B作为后缀 (BYTE)。

6.2、YMM0~15

YMM0_{15专门用于存储浮点数（包括float和double）。单个寄存器可以存放多个浮点数。例如YMM#支持存放四个64位数值或者8个32位值。支持拆分成XMM0}15。

7、特别说明

1. RSP， RBP最好只用作常规用途。
2. 如果另作他用，使用完之后应该恢复原来的数据，因为这两个寄存器包含栈帧信息，这对程序非常重要。
3. 一般的寄存器只能存放一个值，但是XMM和YMM寄存器可以看作是数组，它们可以存放多个浮点数。

8、汇编指令

8.1、数据格式

intel数据类型	汇编代码后缀
字节	b
字(2字节)	w
双字(4字节)	l
四字(8字节)	q
单精度(4字节)	s
双精度(8字节)	l

1： Intel使用 字(word)表示 16位数据类型
2：汇编指令除了要指明操作对象，还要指明操作对象的数据类型和长度，所以为指明操作对象的数据类型和长度，可以在指令后面加上表示数据类型的后缀，如：movl 和 movq 分别表示操作对象为双字和四字。
但是操作长度也可以通过寄存器给出，如：eax表示 32位，rax 表示64位

8.2：操作数格式（寻址方式）

8.3：汇编指令

8.3.1：数据传送指令

------------------------💜💜 数据传送指令举例💜💜-----------------------

1. move ： 数据传递指令，目的操作数不能是立即数，数据不能从内存直接传送到内存(如一定需要，转化成2条指令，从内存取数据到寄存器，然后从寄存器到内存)
   💛💛💛💛 move $4, 17(%rsp) : 把数据4 存储到 17(%rsp)所在内存的地址值里。
2. lea：（load effective address）其实是mov的变形，它的源操作数看上去是一个内存引用，但并非从指定位置读入数据，而是将有效地址写入到目的操作数，目的操作时只能为寄存器。
   💚💚💚💚 lea17(%rsp), %rax ：把17(%rsp)的内存地址的值写入到 %rax寄存器中。

8.3.2：压入和弹出栈数据

这两个操作都会修改 %rsp的值

8.3.3：算术和逻辑操作

注意，ADD S,D 由四条加法指令组成，即 addb, addw, addl 和 addq，其他指令也是如此

Intel把16字节的数称为八字(oct word)。下面是一些特殊的指令：

8.3.4：控制指令

-----------------------------------------💔💔条件码💔💔---------------------------------

CPU维护着一组单个位的条件码寄存器，它们描述了最近的算数或者逻辑操作的属性，可以检查这些寄存器来执行条件分支指令。最常用的条件码有：

• CF：进位标志，最近的操作使最高位产生了进位，可用于检查无符号操作的溢出。

• ZF：零标志，最近的操作得出的结果为0。

• SF：符号标志，最近的操作得到的结果为负数 。

• OF：溢出标志，最近的操作导致一个补码溢出（正溢出获负溢出）。

算术和逻辑操作列出的指令中，除了leaq，其他指令都会修改条件码寄存器。
除了算数和逻辑操作指令可以改变条件码寄存器，下面的指令也可以改变:

-----------------------------------------💔💔访问条件码💔💔----------------------------
条件码通常不会直接读取，常用的使用方法有三种。

1. 更具条件码的某种组合，将一个字节设置为0或者1
2. 根据条件码进行跳转
3. 有条件地传送数据
   
   -----------------------------------------💔💔跳转指令💔💔----------------------------
   
   --------------------------------💔💔条件传送指令💔💔----------------------------
   
   --------------------------------💔💔转移控制💔💔----------------------------