第9章 子程序与函数调用

汇编语言是一种低级编程语言，它几乎是一对一地映射到计算机的机器码指令。在汇编语言中实现循环结构通常涉及到使用条件跳转指令（如 JMP、JE、JNE 等）来控制程序流程。下面我将通过一个简单的例子来讲解如何用x86汇编语言实现一个循环结构。

假设我们要编写一个程序，它会计算从1加到N（包括N）的和，并将结果存储在一个变量中。我们将使用NASM语法（Netwide Assembler），这是一个常用的x86汇编语言汇编器。

section .dataN db 5          ; 我们要加到的数字N, 这里设置为5sum db 0        ; 存储结果的变量section .bssi resb 1        ; 用于循环计数的变量，预留1字节空间section .textglobal _start_start:mov byte [i], 1 ; 初始化循环变量i = 1mov al, [i]     ; 将i的值加载到AL寄存器mov bl, [sum]   ; 将sum的值加载到BL寄存器loop_start:cmp al, [N]     ; 比较i与Njg loop_end     ; 如果i > N，则结束循环 (Jump if Greater)add bl, al      ; 否则，将i加到sum上inc al          ; i++mov [sum], bl   ; 更新sum的值jmp loop_start  ; 跳回到循环开始处loop_end:; 循环结束后可以在这里添加其他代码; 退出程序（Linux系统调用）mov eax, 60     ; syscall: exitxor edi, edi    ; status: 0syscall         ; 执行系统调用

上述代码中：

• section .data 定义了数据段，其中包含了程序运行时需要的数据。
• section .bss 定义了未初始化的数据段，这里我们定义了一个未初始化的变量i用来作为循环计数器。
• section .text 定义了代码段，这是程序执行的指令所在的地方。
• _start 是程序的入口点。
• mov 指令用于移动数据。
• cmp 指令用于比较两个操作数。
• jg 指令是条件跳转，如果前面的比较结果是第一个操作数大于第二个操作数，则跳转。
• add 和 inc 分别是加法和自增指令。
• jmp 是无条件跳转指令，它会让程序跳转到指定的标签处继续执行。
• 在循环结束后，我们使用了系统调用exit来终止程序。

这个程序是一个非常基础的例子，展示了如何在汇编语言中实现一个简单的循环。实际的汇编程序可能会更复杂，涉及到更多的寄存器使用、内存管理和更复杂的控制流。

当然，我们可以再深入一点，来看一个稍微复杂一点的例子。这次我们将实现一个程序，它会计算一个数组中所有元素的和，并将结果存储在一个变量中。我们还会展示如何使用寄存器来保存数组索引和累加的结果。

假设我们要计算一个包含8个字节大小（每个元素1字节）的整数数组中所有元素的和。我们将再次使用NASM语法。

section .dataarray db 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8   ; 数组初始化，8个元素len equ $ - array                 ; 计算数组长度（以字节为单位）sum dd 0                          ; 定义一个双字（4字节）用于存储总和section .textglobal _start_start:mov ecx, len                      ; 将数组长度（字节数）加载到ECX寄存器xor eax, eax                      ; 清空EAX寄存器，用于累加求和lea ebx, [array]                  ; 加载数组首地址到EBX寄存器sum_loop:cmp ecx, 0                        ; 比较剩余元素数量是否为0je sum_end                        ; 如果是，则跳转到sum_end结束循环add al, [ebx]                     ; 将当前元素添加到AL（EAX的低8位）inc ebx                           ; 移动到下一个元素dec ecx                           ; 剩余元素计数减1jmp sum_loop                      ; 跳回循环开始处继续执行sum_end:mov [sum], eax                    ; 将最终的和存储到sum变量中; 打印结果或进行其他处理...; 退出程序（Linux系统调用）mov eax, 60                       ; syscall: exitxor edi, edi                      ; status: 0syscall                           ; 执行系统调用

在这个例子中：

• len 是一个宏定义，它通过计算当前位置与数组起始位置之间的距离来确定数组的长度。
• sum 使用了 dd 来定义一个双字（32位），用来存储最终的累加和。
• mov ecx, len 把数组的长度加载到 ECX 寄存器中，这个寄存器通常用来作为循环计数器。
• xor eax, eax 用来清空 EAX 寄存器，这等价于 EAX = 0，因为 XOR 操作数相同时结果为0。
• lea ebx, [array] 使用了 LEA 指令来加载数组的地址，而不是值，所以 EBX 将指向数组的第一个元素。
• add al, [ebx] 把当前元素添加到 AL 中，这是 EAX 寄存器的最低8位。请注意，这里假定数组中的数据是单字节的；如果需要处理更大的数值，应该调整指令以适应相应的寄存器部分。
• inc ebx 和 dec ecx 分别递增指针和递减计数器。
• jmp sum_loop 和之前的条件跳转一起构成了循环结构。

这段代码是一个简单的示例，展示了如何在汇编语言中遍历一个数组并计算其元素的和。实际应用中可能还需要考虑更多的细节，比如处理不同大小的数据类型、优化性能以及确保代码的安全性和稳定性。

让我们进一步扩展案例。这次我们将实现一个汇编程序，它不仅会计算数组中所有元素的和，还会找出数组中的最大值，并将这两个结果打印出来。为了完成这个任务，我们需要使用系统调用来输出结果。这里我们假设运行环境是Linux，并且我们要处理的是32位整数数组。

section .dataarray dd 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80   ; 数组初始化，8个元素（每个元素4字节）len equ ($ - array) / 4                   ; 计算数组长度（以元素为单位）sum dd 0                                  ; 定义一个双字用于存储总和max dd 0                                  ; 定义一个双字用于存储最大值format db "Sum: %d, Max: %d", 10, 0       ; 打印格式字符串section .bssbuffer resb 16                            ; 用于格式化输出的缓冲区section .textextern printf                             ; 外部C库函数printfglobal _start_start:mov ecx, len                              ; 将数组长度加载到ECX寄存器xor eax, eax                              ; 清空EAX寄存器，用于累加求和mov ebx, [array]                          ; 初始化最大值为数组的第一个元素lea esi, [array]                          ; 加载数组首地址到ESI寄存器sum_and_max_loop:cmp ecx, 0                                ; 比较剩余元素数量是否为0je print_results                          ; 如果是，则跳转到print_results结束循环add eax, [esi]                            ; 将当前元素添加到EAX中进行求和cmp ebx, [esi]                            ; 比较当前元素与EBX中的最大值cmovg ebx, [esi]                          ; 如果当前元素更大，则更新最大值add esi, 4                                ; 移动到下一个元素（每个元素4字节）dec ecx                                   ; 剩余元素计数减1jmp sum_and_max_loop                      ; 跳回循环开始处继续执行print_results:mov [sum], eax                            ; 将最终的和存储到sum变量中mov [max], ebx                            ; 将找到的最大值存储到max变量中; 准备参数并调用printf打印结果push dword [max]                          ; 第二个参数：最大值push dword [sum]                          ; 第一个参数：总和push dword format                         ; 格式字符串call printf                               ; 调用printfadd esp, 12                               ; 清理堆栈上的三个参数 (4 * 3); 退出程序（Linux系统调用）mov eax, 60                               ; syscall: exitxor edi, edi                              ; status: 0syscall                                   ; 执行系统调用

在这个例子中：

• array 是一个包含8个32位整数的数组。
• len 通过宏定义计算出数组的长度，这里除以4是因为每个元素是4字节大小。
• sum 和 max 分别用于存储求和的结果和找到的最大值。
• format 是一个格式化字符串，用于告诉 printf 如何格式化输出。
• buffer 在 .bss 段中预留了空间，虽然在这个例子中没有直接使用，但在实际应用中可能会用到，比如当需要构建复杂的输出字符串时。
• extern printf 表明我们将会使用外部的C库函数 printf 来输出结果。
• cmovg 是条件移动指令，只有当比较操作的结果为真（即当前元素大于EBX）时才会执行数据移动。
• 在 print_results 部分，我们准备了参数并调用了 printf 来打印求和的结果和最大值。
• 最后，我们清理了堆栈上的参数（因为调用惯例要求调用者清理），然后通过系统调用 exit 终止程序。

请注意，在真实环境中编写和链接这样的程序时，您需要确保您的开发环境支持调用C库函数如 printf，并且正确设置了链接器选项来链接标准C库。此外，这段代码假定你是在32位Linux系统上运行；对于64位系统，系统调用编号和参数传递方式会有所不同。

我们可以进一步探讨汇编语言中子程序与函数调用的更多细节，比如参数传递、返回值处理、局部变量的使用、栈帧的建立和销毁，以及不同的调用约定。

参数传递

在上述例子中，我们通过堆栈来传递参数。这是一种常见的方法，尤其是在较老的或某些特定的调用约定中。然而，在现代系统和一些优化的调用约定（如System V AMD64 ABI）中，前几个参数通常通过寄存器传递以提高效率。例如，在x86-64 Linux中，整数和指针参数按照以下顺序通过寄存器传递：%rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9。

返回值

返回值通常存储在一个特定的寄存器中。对于整数和指针类型，通常是 EAX 寄存器（32位模式）或 RAX 寄存器（64位模式）。如果返回值较大，可能需要通过额外的机制来处理，例如通过隐式或显式的输出参数。

局部变量

局部变量通常位于栈上。当进入一个子程序时，可以通过调整堆栈指针 %esp 或者在64位模式下 %rsp 来为局部变量分配空间。这通常是在保存旧基址指针并设置新基址指针之后完成的。局部变量的空间可以从当前的堆栈指针减去相应的字节数来获得。

subl $16, %esp  # 分配16个字节用于局部变量（32位）
# 或者在64位模式下
subq $16, %rsp  # 分配16个字节用于局部变量（64位）

栈帧

栈帧是调用子程序时创建的数据结构，它包含了子程序的局部变量、保存的寄存器值、返回地址等。在上面的例子中，我们通过保存和恢复 %ebp 来管理栈帧。在更复杂的子程序中，你可能会有多个层级的嵌套调用，因此正确地管理栈帧非常重要。

调用约定

调用约定定义了如何进行函数调用的一组规则，包括参数传递方式、哪个寄存器需要被调用者保存、哪个可以被被调用者覆盖、返回值如何传递等等。不同的平台和编译器有不同的调用约定。了解你的目标平台上的调用约定是非常重要的，因为它们决定了你的汇编代码是否能与其他代码正确交互。

示例：带有局部变量和返回值的子程序

这里有一个稍微复杂一点的例子，展示了一个带有局部变量的子程序，并且它还返回一个值：

.section .data# 数据段.section .text.globl _start_start:# 准备参数movl $5, %edi        # 第一个加数 (在64位下使用 %edi)movl $3, %esi        # 第二个加数 (在64位下使用 %esi)call add_numbers     # 调用add_numbers子程序# 子程序返回后，结果存储在EAX/RAX寄存器中# 现在我们可以使用这个结果进行其他操作...movl $60, %eax       # syscall: sys_exit (64位下使用 %rax 和 syscall 指令)xor  %edi, %edi      # 设置退出状态为0syscall              # 调用内核中断.type add_numbers, @function
add_numbers:push %rbp            # 保存旧的基址指针mov  %rsp, %rbp      # 设置新的基址指针sub  $16, %rsp       # 为局部变量分配空间# 此时，栈帧如下：# [rbp+16] - 返回地址# [rbp+8]  - 第一个参数# [rbp+0]  - 局部变量空间mov  %edi, -4(%rbp)  # 将第一个参数保存到局部变量mov  %esi, -8(%rbp)  # 将第二个参数保存到局部变量mov  -4(%rbp), %eax  # 获取第一个局部变量到EAXadd  -8(%rbp), %eax  # 将第二个局部变量加到EAXleave                # 恢复旧的基址指针并释放局部变量空间ret                  # 返回到调用者

在这个例子中，我们演示了如何在子程序中使用局部变量，并且展示了 leave 指令，它是 mov %rbp, %rsp 和 pop %rbp 的组合指令，用来清理栈帧。此外，我们还展示了64位Linux下的系统调用规范，其中使用了 syscall 指令来执行系统调用。

既然您希望继续深入探讨，我们可以进一步讨论一些高级话题，比如：

• 调用约定和寄存器保存规则
• 子程序的递归调用
• 使用栈帧指针（Frame Pointer）优化调试和异常处理
• 子程序中的变长参数列表
• 内联汇编与混合编程

调用约定和寄存器保存规则

在不同的平台和环境中，调用约定会有所不同。以x86-64 Linux为例，根据System V AMD64 ABI，以下是一些重要的规则：

• 整数或指针参数通过寄存器 %rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9 传递。
• 浮点数参数通过 XMM 寄存器传递。
• 返回值通常放在 %rax 或 %xmm0 中（对于浮点返回值）。
• 某些寄存器是“被调用者保存”的（callee-saved），如 %rbx, %rbp, %r12 到 %r15；而其他寄存器则是“调用者保存”的（caller-saved），如 %rax, %rcx, %rdx, %rsi, %rdi 等等。

这意味着如果一个子程序想要使用被调用者保存的寄存器，它必须先保存这些寄存器的原始值，并在退出前恢复它们。

子程序的递归调用

递归调用是指函数直接或间接地调用自身。在汇编中实现递归需要特别注意栈的管理，因为每次递归调用都会创建一个新的栈帧。例如，计算阶乘的递归子程序可能会如下所示：

.type factorial, @function
factorial:push %rbp            # 保存旧的基址指针mov  %rsp, %rbp      # 设置新的基址指针mov  %edi, -4(%rbp)  # 保存参数 n 到局部变量cmp  $1, -4(%rbp)    # 如果 n <= 1jle  .Lbase_case     # 跳转到基础情况dec  -4(%rbp)        # n = n - 1call factorial       # 递归调用 factorial(n-1)imul -4(%rbp), %eax  # 将结果乘以 n.Lbase_case:mov  $1, %eax        # 基础情况：返回 1leave                # 恢复旧的基址指针并释放局部变量空间ret                  # 返回到调用者

请注意，这个例子简化了错误检查和边界条件处理。

使用栈帧指针优化调试和异常处理

栈帧指针（通常是 %ebp 在32位模式下，%rbp 在64位模式下）用于建立链表结构，这有助于调试器追踪函数调用历史和回溯堆栈。此外，在发生异常时，操作系统或运行时环境可以利用栈帧来找到正确的异常处理程序。

子程序中的变长参数列表

C语言中的 printf 函数就是一个接受变长参数列表的例子。为了在汇编中实现类似的功能，我们需要遵循特定的协议，如在 x86-64 上使用 AL 寄存器来指定变长参数的数量，并且这些参数仍然按照调用约定通过寄存器或堆栈传递。

内联汇编与混合编程

有时你可能想在高级语言（如C/C++）中嵌入汇编代码，这被称为内联汇编。GCC 和 Clang 编译器支持这种特性，允许你在 C/C++ 函数内部插入汇编指令。这对于性能关键部分或者硬件交互非常有用。然而，编写内联汇编需要仔细考虑寄存器分配、内存访问和调用约定等问题。

以上内容涵盖了更多关于汇编语言中子程序与函数调用的细节。希望这些信息对您有所帮助。