• 示例代碼說明

  
  

• 執(zhí)行主程序

  
  

• 初始狀態(tài)

  
  

• 執(zhí)行代碼前 5 句

  
  

• 準(zhǔn)備調(diào)用子程序

  
  

• 調(diào)用子程序
  

  
  

• 子程序

  
  

• 寄存器入棧保護(hù)

  
  

• 計(jì)算字符串長度

  
  

• 返回結(jié)果

  
  

• 寄存器出棧

  
  

• 返回指令ret

  
  

在任何一門編譯型語言中，棧操作都是非常重要的。

利用棧的后進(jìn)先出特性，可以很方便的解決一些棘手的問題，以至于CPU單獨(dú)分配了push和pop這兩個(gè)命令來專門操作棧，當(dāng)然了，還有其他一些輔助的棧操作指令。

對(duì)于一些解釋型的腳本語言，比如：Javascript、Lua等，它們與宿主語言之間的參數(shù)傳遞也都是通過棧來操作的。

因此，理解了棧操作的基本原理，對(duì)于學(xué)習(xí)、理解高級(jí)語言是非常有幫助的。

這篇文章，我們繼續(xù)從最底層的指令碼入手，通過一個(gè)子程序調(diào)用(即：函數(shù)調(diào)用)，來學(xué)習(xí)?？臻g是如何操作的，也就是下面這張圖：

示例雖然是匯編代碼，但是指令碼一共不超過10個(gè)，而且每一句都有注釋，相信你閱讀一定沒有問題！

再次重申：我們不是在學(xué)習(xí)匯編語言，只是利用匯編代碼，去繁存簡，用最簡單的實(shí)例來理解棧的操作。

示例代碼說明

代碼的功能是：

主程序：設(shè)置數(shù)據(jù)段、棧段、棧頂這 3 個(gè)寄存器，然后調(diào)用子程序(函數(shù)調(diào)用);

子程序：從寄存器 si 中獲取字符串開始地址，然后計(jì)算字符串的長度，最后通過寄存器 ax 返回給主程序;

主程序在調(diào)用子程序的時(shí)候，就涉及到返回地址的入棧、出棧操作。

子程序在計(jì)算字符串長度的時(shí)候，為了保護(hù)一些使用到的寄存器不被破壞，也涉及到入棧和出棧操作。

我們的主要目標(biāo)就是來研究以上這2部分操作時(shí)，?？臻g里的數(shù)據(jù)變化情況。

執(zhí)行主程序

以下演示的截圖，是通過debug.exe這個(gè)工具來調(diào)試的。

在調(diào)試的過程中，主要關(guān)心的就是?？臻g中的數(shù)據(jù)，以及幾個(gè)寄存器的值：

代碼相關(guān)：cs, ip
棧相關(guān)：ss, sp

初始狀態(tài)

在執(zhí)行第一條指令之前，首先看一下所有寄存器中的值：

此時(shí)，我們還沒有為數(shù)據(jù)段寄存器ds、棧段寄存器ss賦值，因此里面的值是沒有意義的。

只有cs:ip寄存器的值是有意義的，此時(shí)它們?yōu)?76F:0000，指向第一條代碼處。

再來看一下指令碼：

兩個(gè)綠框內(nèi)的指令，就是用來設(shè)置數(shù)據(jù)段寄存器ds、棧段寄存器ss和 棧頂寄存器sp。

這部分內(nèi)容在上一篇文章中都已經(jīng)詳細(xì)描述過了，這里就不重復(fù)了。

執(zhí)行代碼前 5 句

mov ax, data
mov ds, ax

mov ax, stack
mov ss, ax
mov sp, 20h
這5行代碼的功能就是：設(shè)置ds、ss和sp。

執(zhí)行完這5行代碼后，寄存器中的值為：

從以上這張圖中可以看到編譯器為程序安排了下面這幾個(gè)地址：

把【數(shù)據(jù)段】安排在 076C:0000 位置;
把【棧段】  安排在 076D:0000 位置;
把【代碼段】安排在 076F:0000 的位置;

雖然數(shù)據(jù)段值定義了6個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)(5個(gè)字符1個(gè)結(jié)束符)，但是它與棧段的開始地址之間，預(yù)留了16個(gè)字節(jié)的空間。

我們把此時(shí)內(nèi)存空間的整體布局畫一下：

準(zhǔn)備調(diào)用子程序

我們都知道，在調(diào)用函數(shù)的之后，需要把調(diào)用指令后面的那條指令的地址，壓入到棧中。

只有這樣，被調(diào)用函數(shù)在執(zhí)行結(jié)束之后，才能繼續(xù)返回到正確的指令處繼續(xù)執(zhí)行。

CPU在執(zhí)行call指令的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)把call指令的后面一條指令的地址，壓入到棧中。

在執(zhí)行call指令之前，我們先來看一下2張圖片。

（1）call 的指令碼和匯編代碼

call的匯編代碼是：call 0018。

0018指的是指令寄存器ip的值，加上代碼段寄存器cs，就是：076F:0018，這個(gè)位置處存儲(chǔ)的就是子程序的第一條指令：push bx。

注意：call的指令碼是E80500，E8是call指令的操作碼，0005是指令參數(shù)(注意：低字節(jié)是放在低地址，即：小端模式)。

之前文章說過，CPU在執(zhí)行一條指令后，會(huì)自動(dòng)把指令寄存器ip修改為下一條指令的地址。

當(dāng)call這條指令執(zhí)行時(shí)，ip就自動(dòng)變成下一條指令的地址，再加上call指令中的0005，也就是說讓ip再加上這個(gè)值，就是子程序的第一條指令的地址。

這也是相對(duì)地址的概念！在以后介紹到重定位的時(shí)候，再繼續(xù)聊這個(gè)話題。

（2） 棧空間的數(shù)據(jù)

此時(shí)，棧頂寄存器sp的值為0020，即：棧的最高地址的下一個(gè)位置(為什么是這個(gè)位置？上一篇文章有說明)。

這32個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是沒有任何意義的。

因?yàn)闂＠飻?shù)據(jù)是否有意義，是依賴于sp寄存器的，可以把它理解成一個(gè)指針，有些書籍中稱呼它為：棧頂指針。

調(diào)用子程序

子程序的功能是計(jì)算字符串的長度，那么主程序一定要告訴子程序：字符串的開始地址在哪里。

在代碼的開頭，我們放置了6個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)段空間，內(nèi)容是5個(gè)字符，加上一個(gè) 0。

主程序把第一個(gè)字符的地址 0，通過寄存器si來告訴子程序：mov si, 0。

子程序在執(zhí)行時(shí)，就從si的值所代表的地址處，依次取出每一個(gè)字符。

現(xiàn)在我們開始執(zhí)行call指令。

從上面的描述中可以知道：call的下一條指令的地址(076F:0013)，將會(huì)被壓入到棧中。

由于這里call指令是段內(nèi)跳轉(zhuǎn)，不會(huì)把cs的值入棧，僅僅是把ip的值入棧。(如果是段間跳轉(zhuǎn)的話，就會(huì)把cs:ip都?jí)簵?

我們來看一下執(zhí)行call指令之后的兩張圖：

（1） 寄存器的值

從圖中看出sp的值變成了001E。還記得之前文章說的入棧操作嗎？

Step1：sp = sp -2。由于 sp 的初值是 0020，減去 2 之后就是 001E（都是十六進(jìn)制）;

Step2：把要入棧的值(也就是下一條指令的地址 0013)放在 sp 指向的地址處。

從圖中還可以看到，指令寄存器ip的值變成了0018，也就是子程序的第1條指令(push bx)的地址。

（2）?？臻g的數(shù)據(jù)

可以看到：最后 2 個(gè)字節(jié)是0013，也即是下面的這樣：

此時(shí)，指令寄存器ip指向了子程序的第一條指令 076F:0018 處，那就繼續(xù)執(zhí)行吧！

子程序

保護(hù)使用到的寄存器

我們知道：CPU中寄存器都是公用的。

在子程序中，為了計(jì)算字符串的長度，代碼中用到了bx,cx這 2 個(gè)寄存器。

但是我們不知道這 2 個(gè)寄存器是否在主程序中也被使用了。

如果我們冒然直接使用它們，改變了它們的值，那么在子程序執(zhí)行結(jié)束后，返回到主程序時(shí)，主程序如果也用了這 2 個(gè)寄存器，那就有麻煩了。

因此，在子程序的開始處，需要把bx,cx放在在棧中進(jìn)行暫存保護(hù)。

當(dāng)子程序返回的時(shí)候，再從棧中恢復(fù)它們的值，這樣就不會(huì)對(duì)主程序構(gòu)成潛在的威脅了。

1. push bx

在入棧之前，bx的值是0000，我們給他入棧。

還記得上篇文章中入棧的操作嗎：

Step1: 把 sp 的值減 2;
Step2: 把要入棧的值放在 sp 地址處(2個(gè)字節(jié));

此時(shí)，棧頂寄存器sp變成 001C (001E - 2)。

再來看一下?？臻g的數(shù)據(jù)情況：

此刻，棧中有意義的數(shù)據(jù)就有2個(gè)：返回地址，bx 的值。

2. push cx

在入棧之前，cx的值是005C，我們給他入棧。

執(zhí)行入棧的2步操作之后，棧頂寄存器sp變成 001A (001C - 2)。

?？臻g的數(shù)據(jù)情況：

3. 計(jì)算字符串的長度

字符串是放在數(shù)據(jù)段中的。數(shù)據(jù)段的段地址ds，在主程序的開頭已經(jīng)設(shè)置好了。

字符串的首地址，主程序在執(zhí)行call指令之前，已經(jīng)放在寄存器si中了。

因此，子程序只要從si開始位置，依次取出每一個(gè)字符，然后檢查它是否等于 0 (jcxz)。

如果不為0，就把長度值加 1 (inc bx)，然后繼續(xù)取下一個(gè)字符(inc si)；

如果為0，就停止獲取字符，因?yàn)橐呀?jīng)遇到了字符串末尾的 0。

在循環(huán)獲取每一個(gè)字符的時(shí)候，可以用bx寄存器來記錄長度，所以在子程序的開頭要讓bx入棧。

讀取的每個(gè)字符，放在cx寄存器中，所以在子程序的開頭要讓cx入棧。

我們來看一下檢查第一個(gè)字符 'a' 的情況：

此時(shí)：

bx的值為0001，說明長度至少為1。

si的值為0001，準(zhǔn)備取下一個(gè)位置ds:si（即：076C:0001）處的字符 ‘b’。

這個(gè)過程一直循環(huán)6次(loop s)，當(dāng)ds:si指向076C:0005，也就是取出的字符為0時(shí)，就直接跳轉(zhuǎn)到標(biāo)號(hào)為over（即：076F:0027）的地址處。

此刻，寄存器bx中就存放著字符串的長度：0005：

4. 把字符串長度告訴主程序

字符串的長度計(jì)算出來了，我們要把這個(gè)值告訴主程序，一般都是通過通用寄存器ax來傳遞返回結(jié)果。

所以，執(zhí)行指令 mov ax, bx 把bx的值賦值給ax，主程序就可以從寄存器ax中得到字符串的長度了。

5. pop cx

子程序在返回之前，需要把棧中保存的bx、cx值恢復(fù)到寄存器中。

另外，由于棧的后進(jìn)先出特性，需要把棧頂數(shù)據(jù)先彈出到cx寄存器中。

在執(zhí)行出棧之前：

sp = 001A
cx = 0000

棧中的數(shù)據(jù)情況如下：

pop cx指令分為2個(gè)動(dòng)作：

Step1：把 sp 指向的地址單元的中數(shù)據(jù)( 2 個(gè)字節(jié))，放入寄存器 cx 中，于是 cx 中的值變成了：005C；

Step2：把 sp 的值自增 2，變成 001C (001A 2)。

此時(shí)，棧中的數(shù)據(jù)情況：

6. pop bx

執(zhí)行過程是一樣的：

Step1：把 sp 指向的地址單元的中數(shù)據(jù)( 2 個(gè)字節(jié))，放入寄存器 bx 中，于是 bx 中的值變成了：0000；

Step2：把 sp 的值自增 2，變成 001E (001C 2)。

此時(shí)，棧中的數(shù)據(jù)情況：

7. 返回指令 ret

CPU在執(zhí)行ret指令時(shí)，也有2個(gè)動(dòng)作：

Step1：把 sp 指向的地址單元的中數(shù)據(jù)( 2 個(gè)字節(jié))，放入指令寄存器 ip 中，于是 ip 中的值變成了：0013；

Step2：把 sp 的值自增 2，變成 0020 (001E 2)。

此時(shí)，棧中的數(shù)據(jù)情況是：

這時(shí)，棧頂寄存器sp已經(jīng)指到了代碼段的空間中。這是由于我們?cè)趧傞_始安排的時(shí)候，沒有在棧與代碼之間，空出來一段緩沖空間。

不管怎樣，此時(shí):

?？臻g中沒有任何有意義的數(shù)據(jù)了;
cs:ip 指向了主程序中 call 指令的下一條指令（mov ax,4c00h）;

所以，當(dāng)CPU執(zhí)行下一條指令的時(shí)候，又回到了主程序中繼續(xù)執(zhí)行。。。

------ End ------