Linux 匯編語(yǔ)言開發(fā)指南
匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是速度快，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，這對(duì)諸如圖形處理等關(guān)鍵應(yīng)用是非常重要的。Linux 是一個(gè)用 C 語(yǔ)言開發(fā)的操作系統(tǒng)，這使得很多程序員開始忘記在 Linux 中還可以直接使用匯編這一底層語(yǔ)言來(lái)優(yōu)化程序的性能。本文為那些在Linux 平臺(tái)上編寫匯編代碼的程序員提供指南，介紹 Linux 匯編語(yǔ)言的語(yǔ)法格式和開發(fā)工具，并輔以具體的例子講述如何開發(fā)實(shí)用的Linux 匯編程序。
一、簡(jiǎn)介
作為最基本的編程語(yǔ)言之一，匯編語(yǔ)言雖然應(yīng)用的范圍不算很廣，但重要性卻勿庸置疑，因?yàn)樗軌蛲瓿稍S多其它語(yǔ)言所無(wú)法完成的功能。就拿 Linux 內(nèi)核來(lái)講，雖然絕大部分代碼是用 C 語(yǔ)言編寫的，但仍然不可避免地在某些關(guān)鍵地方使用了匯編代碼，其中主要是在 Linux 的啟動(dòng)部分。由于這部分代碼與硬件的關(guān)系非常密切，即使是 C 語(yǔ)言也會(huì)有些力不從心，而匯編語(yǔ)言則能夠很好揚(yáng)長(zhǎng)避短，最大限度地發(fā)揮硬件的性能。
大多數(shù)情況下 Linux 程序員不需要使用匯編語(yǔ)言，因?yàn)榧幢闶怯布?qū)動(dòng)這樣的底層程序在 Linux 操作系統(tǒng)中也可以用完全用 C 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，再加上 GCC 這一優(yōu)秀的編譯器目前已經(jīng)能夠?qū)ψ罱K生成的代碼進(jìn)行很好的優(yōu)化，的確有足夠的理由讓我們可以暫時(shí)將匯編語(yǔ)言拋在一邊了。但實(shí)現(xiàn)情況是 Linux 程序員有時(shí)還是需要使用匯編，或者不得不使用匯編，理由很簡(jiǎn)單：精簡(jiǎn)、高效和 libc 無(wú)關(guān)性。假設(shè)要移植 Linux 到某一特定的嵌入式硬件環(huán)境下，首先必然面臨如何減少系統(tǒng)大小、提高執(zhí)行效率等問(wèn)題，此時(shí)或許只有匯編語(yǔ)言能幫上忙了。
匯編語(yǔ)言直接同計(jì)算機(jī)的底層軟件甚至硬件進(jìn)行交互，它具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
同時(shí)還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，匯編語(yǔ)言是一種層次非常低的語(yǔ)言，它僅僅高于直接手工編寫二進(jìn)制的機(jī)器指令碼，因此不可避免地存在一些缺點(diǎn)：
Linux 下用匯編語(yǔ)言編寫的代碼具有兩種不同的形式。第一種是完全的匯編代碼，指的是整個(gè)程序全部用匯編語(yǔ)言編寫。盡管是完全的匯編代碼，Linux 平臺(tái)下的匯編工具也吸收了 C 語(yǔ)言的長(zhǎng)處，使得程序員可以使用 #include、#ifdef 等預(yù)處理指令，并能夠通過(guò)宏定義來(lái)簡(jiǎn)化代碼。第二種是內(nèi)嵌的匯編代碼，指的是可以嵌入到C語(yǔ)言程序中的匯編代碼片段。雖然 ANSI 的 C 語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)中沒有關(guān)于內(nèi)嵌匯編代碼的相應(yīng)規(guī)定，但各種實(shí)際使用的 C 編譯器都做了這方面的擴(kuò)充，這其中當(dāng)然就包括 Linux 平臺(tái)下的 GCC。
二、Linux 匯編語(yǔ)法格式
絕大多數(shù) Linux 程序員以前只接觸過(guò)DOS/Windows 下的匯編語(yǔ)言，這些匯編代碼都是 Intel 風(fēng)格的。但在 Unix 和 Linux 系統(tǒng)中，更多采用的還是 AT&T 格式，兩者在語(yǔ)法格式上有著很大的不同：
在 AT&T 匯編格式中，寄存器名要加上 ‘%‘ 作為前綴；而在 Intel 匯編格式中，寄存器名不需要加前綴。例如：
AT&T 格式Intel 格式pushl %eaxpush eax
在 AT&T 匯編格式中，用 ‘$‘ 前綴表示一個(gè)立即操作數(shù)；而在 Intel 匯編格式中，立即數(shù)的表示不用帶任何前綴。例如：
AT&T 格式Intel 格式pushl $1push 1
AT&T 和 Intel 格式中的源操作數(shù)和目標(biāo)操作數(shù)的位置正好相反。在 Intel 匯編格式中，目標(biāo)操作數(shù)在源操作數(shù)的左邊；而在 AT&T 匯編格式中，目標(biāo)操作數(shù)在源操作數(shù)的右邊。例如：
AT&T 格式Intel 格式addl $1, %eaxadd eax, 1
在 AT&T 匯編格式中，操作數(shù)的字長(zhǎng)由操作符的最后一個(gè)字母決定，后綴‘b‘、‘w‘、‘l‘分別表示操作數(shù)為字節(jié)（byte，8 比特）、字（word，16 比特）和長(zhǎng)字（long，32比特）；而在 Intel 匯編格式中，操作數(shù)的字長(zhǎng)是用 "byte ptr" 和 "word ptr" 等前綴來(lái)表示的。例如：
AT&T 格式Intel 格式movb val, %almov al, byte ptr val
在 AT&T 匯編格式中，絕對(duì)轉(zhuǎn)移和調(diào)用指令（jump/call）的操作數(shù)前要加上‘*‘作為前綴，而在 Intel 格式中則不需要。遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)移指令和遠(yuǎn)程子調(diào)用指令的操作碼，在 AT&T 匯編格式中為 "ljump" 和 "lcall"，而在 Intel 匯編格式中則為 "jmp far" 和 "call far"，即：
AT&T 格式Intel 格式ljump $section, $offsetjmp far section:offsetlcall $section, $offsetcall far section:offset
與之相應(yīng)的遠(yuǎn)程返回指令則為：
AT&T 格式Intel 格式lret $stack_adjustret far stack_adjust
在 AT&T 匯編格式中，內(nèi)存操作數(shù)的尋址方式是
section:disp(base, index, scale)
而在 Intel 匯編格式中，內(nèi)存操作數(shù)的尋址方式為：
section:[base + index*scale + disp]
由于 Linux 工作在保護(hù)模式下，用的是 32 位線性地址，所以在計(jì)算地址時(shí)不用考慮段基址和偏移量，而是采用如下的地址計(jì)算方法：
disp + base + index * scale
下面是一些內(nèi)存操作數(shù)的例子：
AT&T 格式Intel 格式movl -4(%ebp), %eaxmov eax, [ebp - 4]movl array(, %eax, 4), %eaxmov eax, [eax*4 + array]movw array(%ebx, %eax, 4), %cxmov cx, [ebx + 4*eax + array]movb $4, %fs:(%eax)mov fs:eax, 4
三、Hello World!
真不知道打破這個(gè)傳統(tǒng)會(huì)帶來(lái)什么樣的后果，但既然所有程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的第一個(gè)例子都是在屏幕上打印一個(gè)字符串 "Hello World!"，那我們也以這種方式來(lái)開始介紹 Linux 下的匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。
在 Linux 操作系統(tǒng)中，你有很多辦法可以實(shí)現(xiàn)在屏幕上顯示一個(gè)字符串，但最簡(jiǎn)潔的方式是使用 Linux 內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用。使用這種方法最大的好處是可以直接和操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行通訊，不需要鏈接諸如 libc 這樣的函數(shù)庫(kù)，也不需要使用 ELF 解釋器，因而代碼尺寸小且執(zhí)行速度快。
Linux 是一個(gè)運(yùn)行在保護(hù)模式下的 32 位操作系統(tǒng)，采用 flat memory 模式，目前最常用到的是 ELF 格式的二進(jìn)制代碼。一個(gè) ELF 格式的可執(zhí)行程序通常劃分為如下幾個(gè)部分：.text、.data 和 .bss，其中 .text 是只讀的代碼區(qū)，.data 是可讀可寫的數(shù)據(jù)區(qū)，而 .bss 則是可讀可寫且沒有初始化的數(shù)據(jù)區(qū)。代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)在 ELF 中統(tǒng)稱為 section，根據(jù)實(shí)際需要你可以使用其它標(biāo)準(zhǔn)的 section，也可以添加自定義 section，但一個(gè) ELF 可執(zhí)行程序至少應(yīng)該有一個(gè) .text 部分。下面給出我們的第一個(gè)匯編程序，用的是 AT&T 匯編語(yǔ)言格式：
例1. AT&T 格式
#hello.s .data# 數(shù)據(jù)段聲明msg : .string "Hello, world!\n" # 要輸出的字符串len = . - msg# 字串長(zhǎng)度.text# 代碼段聲明.global _start# 指定入口函數(shù)_start:# 在屏幕上顯示一個(gè)字符串movl $len, %edx# 參數(shù)三：字符串長(zhǎng)度movl $msg, %ecx# 參數(shù)二：要顯示的字符串movl $1, %ebx# 參數(shù)一：文件描述符(stdout)movl $4, %eax# 系統(tǒng)調(diào)用號(hào)(sys_write)int$0x80# 調(diào)用內(nèi)核功能# 退出程序movl $0,%ebx# 參數(shù)一：退出代碼movl $1,%eax# 系統(tǒng)調(diào)用號(hào)(sys_exit)int$0x80# 調(diào)用內(nèi)核功能
初次接觸到 AT&T 格式的匯編代碼時(shí)，很多程序員都認(rèn)為太晦澀難懂了，沒有關(guān)系，在 Linux 平臺(tái)上你同樣可以使用 Intel 格式來(lái)編寫匯編程序：
例2. Intel 格式
; hello.asm section .data; 數(shù)據(jù)段聲明msg db "Hello, world!", 0xA; 要輸出的字符串len equ $ - msg; 字串長(zhǎng)度section .text; 代碼段聲明global _start; 指定入口函數(shù)_start:; 在屏幕上顯示一個(gè)字符串mov edx, len; 參數(shù)三：字符串長(zhǎng)度mov ecx, msg; 參數(shù)二：要顯示的字符串mov ebx, 1; 參數(shù)一：文件描述符(stdout)mov eax, 4; 系統(tǒng)調(diào)用號(hào)(sys_write)int 0x80; 調(diào)用內(nèi)核功能; 退出程序mov ebx, 0; 參數(shù)一：退出代碼mov eax, 1; 系統(tǒng)調(diào)用號(hào)(sys_exit)int 0x80; 調(diào)用內(nèi)核功能
上面兩個(gè)匯編程序采用的語(yǔ)法雖然完全不同，但功能卻都是調(diào)用 Linux 內(nèi)核提供的 sys_write 來(lái)顯示一個(gè)字符串，然后再調(diào)用 sys_exit 退出程序。在 Linux 內(nèi)核源文件 include/asm-i386/unistd.h 中，可以找到所有系統(tǒng)調(diào)用的定義。
四、Linux 匯編工具
Linux 平臺(tái)下的匯編工具雖然種類很多，但同 DOS/Windows 一樣，最基本的仍然是匯編器、連接器和調(diào)試器。
1.匯編器
匯編器（assembler）的作用是將用匯編語(yǔ)言編寫的源程序轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式的目標(biāo)代碼。Linux 平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)匯編器是 GAS，它是 GCC 所依賴的后臺(tái)匯編工具，通常包含在 binutils 軟件包中。GAS 使用標(biāo)準(zhǔn)的 AT&T 匯編語(yǔ)法，可以用來(lái)匯編用 AT&T 格式編寫的程序：
[xiaowp@gary code]$ as -o hello.o hello.s
Linux 平臺(tái)上另一個(gè)經(jīng)常用到的匯編器是 NASM，它提供了很好的宏指令功能，并能夠支持相當(dāng)多的目標(biāo)代碼格式，包括 bin、a.out、coff、elf、rdf 等。NASM 采用的是人工編寫的語(yǔ)法分析器，因而執(zhí)行速度要比 GAS 快很多，更重要的是它使用的是 Intel 匯編語(yǔ)法，可以用來(lái)編譯用 Intel 語(yǔ)法格式編寫的匯編程序：
[xiaowp@gary code]$ nasm -f elf hello.asm
2.鏈接器
由匯編器產(chǎn)生的目標(biāo)代碼是不能直接在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的，它必須經(jīng)過(guò)鏈接器的處理才能生成可執(zhí)行代碼。鏈接器通常用來(lái)將多個(gè)目標(biāo)代碼連接成一個(gè)可執(zhí)行代碼，這樣可以先將整個(gè)程序分成幾個(gè)模塊來(lái)單獨(dú)開發(fā)，然后才將它們組合(鏈接)成一個(gè)應(yīng)用程序。 Linux 使用 ld 作為標(biāo)準(zhǔn)的鏈接程序，它同樣也包含在 binutils 軟件包中。匯編程序在成功通過(guò) GAS 或 NASM 的編譯并生成目標(biāo)代碼后，就可以使用 ld 將其鏈接成可執(zhí)行程序了：
[xiaowp@gary code]$ ld -s -o hello hello.o
3.調(diào)試器
有人說(shuō)程序不是編出來(lái)而是調(diào)出來(lái)的，足見調(diào)試在軟件開發(fā)中的重要作用，在用匯編語(yǔ)言編寫程序時(shí)尤其如此。Linux 下調(diào)試匯編代碼既可以用 GDB、DDD 這類通用的調(diào)試器，也可以使用專門用來(lái)調(diào)試匯編代碼的 ALD(Assembly Language Debugger)。
從調(diào)試的角度來(lái)看，使用 GAS 的好處是可以在生成的目標(biāo)代碼中包含符號(hào)表(symbol table)，這樣就可以使用 GDB 和 DDD 來(lái)進(jìn)行源碼級(jí)的調(diào)試了。要在生成的可執(zhí)行程序中包含符號(hào)表，可以采用下面的方式進(jìn)行編譯和鏈接：
[xiaowp@gary code]$ as --gstabs -o hello.o hello.s[xiaowp@gary code]$ ld -o hello hello.o
執(zhí)行 as 命令時(shí)帶上參數(shù) --gstabs 可以告訴匯編器在生成的目標(biāo)代碼中加上符號(hào)表，同時(shí)需要注意的是，在用 ld 命令進(jìn)行鏈接時(shí)不要加上 -s 參數(shù)，否則目標(biāo)代碼中的符號(hào)表在鏈接時(shí)將被刪去。
在 GDB 和 DDD 中調(diào)試匯編代碼和調(diào)試 C 語(yǔ)言代碼是一樣的，你可以通過(guò)設(shè)置斷點(diǎn)來(lái)中斷程序的運(yùn)行，查看變量和寄存器的當(dāng)前值，并可以對(duì)代碼進(jìn)行單步跟蹤。圖1 是在 DDD 中調(diào)試匯編代碼時(shí)的情景：
圖1 用 DDD 中調(diào)試匯編程序
匯編程序員通常面對(duì)的都是一些比較苛刻的軟硬件環(huán)境，短小精悍的ALD可能更能符合實(shí)際的需要，因此下面主要介紹一下如何用ALD來(lái)調(diào)試匯編程序。首先在命令行方式下執(zhí)行ald命令來(lái)啟動(dòng)調(diào)試器，該命令的參數(shù)是將要被調(diào)試的可執(zhí)行程序：
[xiaowp@gary doc]$ ald helloAssembly Language Debugger 0.1.3Copyright (C) 2000-2002 Patrick Alkenhello: ELF Intel 80386 (32 bit), LSB, Executable, Version 1 (current)Loading debugging symbols...(15 symbols loaded)ald>
當(dāng) ALD 的提示符出現(xiàn)之后，用 disassemble 命令對(duì)代碼段進(jìn)行反匯編：
ald> disassemble -s .textDisassembling section .text (0x08048074 - 0x08048096)08048074BA0F000000mov edx, 0xf08048079B998900408mov ecx, 0x80490980804807EBB01000000mov ebx, 0x108048083B804000000mov eax, 0x408048088CD80int 0x800804808ABB00000000mov ebx, 0x00804808FB801000000mov eax, 0x108048094CD80int 0x80
上述輸出信息的第一列是指令對(duì)應(yīng)的地址碼，利用它可以設(shè)置在程序執(zhí)行時(shí)的斷點(diǎn)：
ald> break 0x08048088Breakpoint 1 set for 0x08048088
斷點(diǎn)設(shè)置好后，使用 run 命令開始執(zhí)行程序。ALD 在遇到斷點(diǎn)時(shí)將自動(dòng)暫停程序的運(yùn)行，同時(shí)會(huì)顯示所有寄存器的當(dāng)前值：
ald> runStarting program: helloBreakpoint 1 encountered at 0x08048088eax = 0x00000004 ebx = 0x00000001 ecx = 0x08049098 edx = 0x0000000Fesp = 0xBFFFF6C0 ebp = 0x00000000 esi = 0x00000000 edi = 0x00000000ds= 0x0000002B es= 0x0000002B fs= 0x00000000 gs= 0x00000000ss= 0x0000002B cs= 0x00000023 eip = 0x08048088 eflags = 0x00000246Flags: PF ZF IF08048088CD80int 0x80
如果需要對(duì)匯編代碼進(jìn)行單步調(diào)試，可以使用 next 命令：
ald> nextHello, world!eax = 0x0000000F ebx = 0x00000000 ecx = 0x08049098 edx = 0x0000000Fesp = 0xBFFFF6C0 ebp = 0x00000000 esi = 0x00000000 edi = 0x00000000ds= 0x0000002B es= 0x0000002B fs= 0x00000000 gs= 0x00000000ss= 0x0000002B cs= 0x00000023 eip = 0x0804808F eflags = 0x00000346Flags: PF ZF TF IF0804808FB801000000mov eax, 0x1
若想獲得 ALD 支持的所有調(diào)試命令的詳細(xì)列表，可以使用 help 命令：
ald> helpCommands may be abbreviated.If a blank command is entered, the last command is repeated.Type `help <command>‘ for more specific information on <command>.General commandsattachclearcontinuedetachdisassembleenterexaminefilehelploadnextquitregisterrunsetstepunloadwindowwriteBreakpoint related commandsbreakdeletedisableenableignorelbreaktbreak
五、系統(tǒng)調(diào)用
即便是最簡(jiǎn)單的匯編程序，也難免要用到諸如輸入、輸出以及退出等操作，而要進(jìn)行這些操作則需要調(diào)用操作系統(tǒng)所提供的服務(wù)，也就是系統(tǒng)調(diào)用。除非你的程序只完成加減乘除等數(shù)學(xué)運(yùn)算，否則將很難避免使用系統(tǒng)調(diào)用，事實(shí)上除了系統(tǒng)調(diào)用不同之外，各種操作系統(tǒng)的匯編編程往往都是很類似的。
在 Linux 平臺(tái)下有兩種方式來(lái)使用系統(tǒng)調(diào)用：利用封裝后的 C 庫(kù)（libc）或者通過(guò)匯編直接調(diào)用。其中通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)直接調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用，是最高效地使用 Linux 內(nèi)核服務(wù)的方法，因?yàn)樽罱K生成的程序不需要與任何庫(kù)進(jìn)行鏈接，而是直接和內(nèi)核通信。
和 DOS 一樣，Linux 下的系統(tǒng)調(diào)用也是通過(guò)中斷（int 0x80）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在執(zhí)行 int 80 指令時(shí)，寄存器 eax 中存放的是系統(tǒng)調(diào)用的功能號(hào)，而傳給系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)則必須按順序放到寄存器 ebx，ecx，edx，esi，edi 中，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用完成之后，返回值可以在寄存器 eax 中獲得。
所有的系統(tǒng)調(diào)用功能號(hào)都可以在文件 /usr/include/bits/syscall.h 中找到，為了便于使用，它們是用 SYS_<name> 這樣的宏來(lái)定義的，如 SYS_write、SYS_exit 等。例如，經(jīng)常用到的 write 函數(shù)是如下定義的：
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
該函數(shù)的功能最終是通過(guò) SYS_write 這一系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)上面的約定，參數(shù) fb、buf 和 count 分別存在寄存器 ebx、ecx 和 edx 中，而系統(tǒng)調(diào)用號(hào) SYS_write 則放在寄存器 eax 中，當(dāng) int 0x80 指令執(zhí)行完畢后，返回值可以從寄存器 eax 中獲得。
或許你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)至多只有 5 個(gè)寄存器能夠用來(lái)保存參數(shù)，難道所有系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)個(gè)數(shù)都不超過(guò) 5 嗎？當(dāng)然不是，例如 mmap 函數(shù)就有 6 個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)最后都需要傳遞給系統(tǒng)調(diào)用 SYS_mmap：
void*mmap(void *start, size_t length, int prot , int flags, int fd, off_t offset);
當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用所需的參數(shù)個(gè)數(shù)大于 5 時(shí)，執(zhí)行int 0x80 指令時(shí)仍需將系統(tǒng)調(diào)用功能號(hào)保存在寄存器 eax 中，所不同的只是全部參數(shù)應(yīng)該依次放在一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域里，同時(shí)在寄存器 ebx 中保存指向該內(nèi)存區(qū)域的指針。系統(tǒng)調(diào)用完成之后，返回值仍將保存在寄存器 eax 中。
由于只是需要一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域來(lái)保存系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)，因此完全可以像普通的函數(shù)調(diào)用一樣使用棧(stack)來(lái)傳遞系統(tǒng)調(diào)用所需的參數(shù)。但要注意一點(diǎn)，Linux 采用的是 C 語(yǔ)言的調(diào)用模式，這就意味著所有參數(shù)必須以相反的順序進(jìn)棧，即最后一個(gè)參數(shù)先入棧，而第一個(gè)參數(shù)則最后入棧。如果采用棧來(lái)傳遞系統(tǒng)調(diào)用所需的參數(shù)，在執(zhí)行int 0x80 指令時(shí)還應(yīng)該將棧指針的當(dāng)前值復(fù)制到寄存器 ebx中。
六、命令行參數(shù)
在 Linux 操作系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)可執(zhí)行程序通過(guò)命令行啟動(dòng)時(shí)，其所需的參數(shù)將被保存到棧中：首先是 argc，然后是指向各個(gè)命令行參數(shù)的指針數(shù)組 argv，最后是指向環(huán)境變量的指針數(shù)據(jù) envp。在編寫匯編語(yǔ)言程序時(shí)，很多時(shí)候需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行處理，下面的代碼示范了如何在匯編代碼中進(jìn)行命令行參數(shù)的處理：
例3. 處理命令行參數(shù)
# args.s.text.globl _start_start:popl%ecx# argcvnext:popl%ecx# argvtest %ecx, %ecx# 空指針表明結(jié)束jzexitmovl%ecx, %ebxxorl%edx, %edxstrlen:movb(%ebx), %alinc%edxinc%ebxtest%al, %aljnzstrlenmovb$10, -1(%ebx)movl$4, %eax# 系統(tǒng)調(diào)用號(hào)(sys_write)movl$1, %ebx# 文件描述符(stdout)int$0x80jmpvnextexit:movl$1,%eax# 系統(tǒng)調(diào)用號(hào)(sys_exit)xorl%ebx, %ebx# 退出代碼int $0x80ret
七、GCC 內(nèi)聯(lián)匯編
用匯編編寫的程序雖然運(yùn)行速度快，但開發(fā)速度非常慢，效率也很低。如果只是想對(duì)關(guān)鍵代碼段進(jìn)行優(yōu)化，或許更好的辦法是將匯編指令嵌入到 C 語(yǔ)言程序中，從而充分利用高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言各自的特點(diǎn)。但一般來(lái)講，在 C 代碼中嵌入?yún)R編語(yǔ)句要比"純粹"的匯編語(yǔ)言代碼復(fù)雜得多，因?yàn)樾枰鉀Q如何分配寄存器，以及如何與C代碼中的變量相結(jié)合等問(wèn)題。
GCC 提供了很好的內(nèi)聯(lián)匯編支持，最基本的格式是：
__asm__("asm statements");例如：
__asm__("nop"); 如果需要同時(shí)執(zhí)行多條匯編語(yǔ)句，則應(yīng)該用"\n\t"將各個(gè)語(yǔ)句分隔開，例如：
__asm__( "pushl %%eax \n\t""movl $0, %%eax \n\t""popl %eax");
通常嵌入到 C 代碼中的匯編語(yǔ)句很難做到與其它部分沒有任何關(guān)系，因此更多時(shí)候需要用到完整的內(nèi)聯(lián)匯編格式：
__asm__("asm statements" : outputs : inputs : registers-modified);插入到 C 代碼中的匯編語(yǔ)句是以":"分隔的四個(gè)部分，其中第一部分就是匯編代碼本身，通常稱為指令部，其格式和在匯編語(yǔ)言中使用的格式基本相同。指令部分是必須的，而其它部分則可以根據(jù)實(shí)際情況而省略。
在將匯編語(yǔ)句嵌入到C代碼中時(shí)，操作數(shù)如何與C代碼中的變量相結(jié)合是個(gè)很大的問(wèn)題。GCC采用如下方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：程序員提供具體的指令，而對(duì)寄存器的使用則只需給出"樣板"和約束條件就可以了，具體如何將寄存器與變量結(jié)合起來(lái)完全由GCC和GAS來(lái)負(fù)責(zé)。
在GCC內(nèi)聯(lián)匯編語(yǔ)句的指令部中，加上前綴‘%‘的數(shù)字(如%0，%1)表示的就是需要使用寄存器的"樣板"操作數(shù)。指令部中使用了幾個(gè)樣板操作數(shù)，就表明有幾個(gè)變量需要與寄存器相結(jié)合，這樣GCC和GAS在編譯和匯編時(shí)會(huì)根據(jù)后面給定的約束條件進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?。由于樣板操作?shù)也使用‘%‘作為前綴，因此在涉及到具體的寄存器時(shí)，寄存器名前面應(yīng)該加上兩個(gè)‘%‘，以免產(chǎn)生混淆。
緊跟在指令部后面的是輸出部，是規(guī)定輸出變量如何與樣板操作數(shù)進(jìn)行結(jié)合的條件，每個(gè)條件稱為一個(gè)"約束"，必要時(shí)可以包含多個(gè)約束，相互之間用逗號(hào)分隔開就可以了。每個(gè)輸出約束都以‘=‘號(hào)開始，然后緊跟一個(gè)對(duì)操作數(shù)類型進(jìn)行說(shuō)明的字后，最后是如何與變量相結(jié)合的約束。凡是與輸出部中說(shuō)明的操作數(shù)相結(jié)合的寄存器或操作數(shù)本身，在執(zhí)行完嵌入的匯編代碼后均不保留執(zhí)行之前的內(nèi)容，這是GCC在調(diào)度寄存器時(shí)所使用的依據(jù)。
輸出部后面是輸入部，輸入約束的格式和輸出約束相似，但不帶‘=‘號(hào)。如果一個(gè)輸入約束要求使用寄存器，則GCC在預(yù)處理時(shí)就會(huì)為之分配一個(gè)寄存器，并插入必要的指令將操作數(shù)裝入該寄存器。與輸入部中說(shuō)明的操作數(shù)結(jié)合的寄存器或操作數(shù)本身，在執(zhí)行完嵌入的匯編代碼后也不保留執(zhí)行之前的內(nèi)容。
有時(shí)在進(jìn)行某些操作時(shí)，除了要用到進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和輸出的寄存器外，還要使用多個(gè)寄存器來(lái)保存中間計(jì)算結(jié)果，這樣就難免會(huì)破壞原有寄存器的內(nèi)容。在GCC內(nèi)聯(lián)匯編格式中的最后一個(gè)部分中，可以對(duì)將產(chǎn)生副作用的寄存器進(jìn)行說(shuō)明，以便GCC能夠采用相應(yīng)的措施。
下面是一個(gè)內(nèi)聯(lián)匯編的簡(jiǎn)單例子：
例4.內(nèi)聯(lián)匯編
/* inline.c */int main(){int a = 10, b = 0;__asm__ __volatile__("movl %1, %%eax;\n\r""movl %%eax, %0;":"=r"(b)/* 輸出 */:"r"(a)/* 輸入 */:"%eax");/* 不受影響的寄存器 */printf("Result: %d, %d\n", a, b);}上面的程序完成將變量a的值賦予變量b，有幾點(diǎn)需要說(shuō)明：
變量b是輸出操作數(shù)，通過(guò)%0來(lái)引用，而變量a是輸入操作數(shù)，通過(guò)%1來(lái)引用。輸入操作數(shù)和輸出操作數(shù)都使用r進(jìn)行約束，表示將變量a和變量b存儲(chǔ)在寄存器中。輸入約束和輸出約束的不同點(diǎn)在于輸出約束多一個(gè)約束修飾符‘=‘。在內(nèi)聯(lián)匯編語(yǔ)句中使用寄存器eax時(shí)，寄存器名前應(yīng)該加兩個(gè)‘%‘，即%%eax。內(nèi)聯(lián)匯編中使用%0、%1等來(lái)標(biāo)識(shí)變量，任何只帶一個(gè)‘%‘的標(biāo)識(shí)符都看成是操作數(shù)，而不是寄存器。內(nèi)聯(lián)匯編語(yǔ)句的最后一個(gè)部分告訴GCC它將改變寄存器eax中的值，GCC在處理時(shí)不應(yīng)使用該寄存器來(lái)存儲(chǔ)任何其它的值。由于變量b被指定成輸出操作數(shù)，當(dāng)內(nèi)聯(lián)匯編語(yǔ)句執(zhí)行完畢后，它所保存的值將被更新。在內(nèi)聯(lián)匯編中用到的操作數(shù)從輸出部的第一個(gè)約束開始編號(hào)，序號(hào)從0開始，每個(gè)約束記數(shù)一次，指令部要引用這些操作數(shù)時(shí)，只需在序號(hào)前加上‘%‘作為前綴就可以了。需要注意的是，內(nèi)聯(lián)匯編語(yǔ)句的指令部在引用一個(gè)操作數(shù)時(shí)總是將其作為32位的長(zhǎng)字使用，但實(shí)際情況可能需要的是字或字節(jié)，因此應(yīng)該在約束中指明正確的限定符：
限定符意義"m"、"v"、"o"內(nèi)存單元"r"任何寄存器"q"寄存器eax、ebx、ecx、edx之一"i"、"h"直接操作數(shù)"E"和"F"浮點(diǎn)數(shù)"g"任意"a"、"b"、"c"、"d"分別表示寄存器eax、ebx、ecx和edx"S"和"D"寄存器esi、edi"I"常數(shù)（0至31）
八、小結(jié)
Linux操作系統(tǒng)是用C語(yǔ)言編寫的，匯編只在必要的時(shí)候才被人們想到，但它卻是減少代碼尺寸和優(yōu)化代碼性能的一種非常重要的手段，特別是在與硬件直接交互的時(shí)候，匯編可以說(shuō)是最佳的選擇。Linux提供了非常優(yōu)秀的工具來(lái)支持匯編程序的開發(fā)，使用GCC的內(nèi)聯(lián)匯編能夠充分地發(fā)揮C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言各自的優(yōu)點(diǎn)。
參考資料
在網(wǎng)站 http://linuxassembly.org上可以找到大量的Linux匯編資源。軟件包binutils提供了as和ld等實(shí)用工具，其相關(guān)信息可以在網(wǎng)站 http://sources.redhat.com/binutils/上找到。NASM是Intel格式的匯編器，其相關(guān)信息可以在網(wǎng)站 http://nasm.sourceforge.net上找到。ALD是一個(gè)短小精悍的匯編調(diào)試器，其相關(guān)信息可以在網(wǎng)站 http://dunx1.irt.drexel.edu/~psa22/ald.html上找到。intel2gas是一個(gè)能夠?qū)ntel匯編格式轉(zhuǎn)換成AT&T匯編格式的小工具，其相關(guān)信息可以在網(wǎng)站 http://www.niksula.cs.hut.fi/~mtiihone/intel2gas/上找到。IBM developerWorks上有一篇介紹GCC內(nèi)聯(lián)匯編的文章( http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/sdk/assemble/inline/index.shtml)。本文代碼下載： 代碼。
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