学习笔记--内核中C语言和汇编的使用

痛定思痛。 2022-08-19 15:13 16阅读 0赞

# 前言 #

好像有好长一段时间没有写认真这一个技术型的博客了。感觉没有将新学的知识记录下来，很快就丢掉了，回过头来，还是一场空。所以，写博客是一个长期而持久的事情。

最近，在学习linux内核，用到了AT&T汇编和C语言。在内核中，总是出现两者的混编，在这里总结一些最近的学习成果。等到以后需要用到的时候，可以快速回忆起来。

下面开始进入主题了。希望我的这个文章，不会让读者嫌弃，如有错误，请指出。

# C语言的编译和连接 #

## 编译过程介绍 ##

在学习内核的时候，每次看看一本新的书都要先介绍一些编译连接的过程。自己看了好多遍了，但是都没有好好的总结一下。这里简单介绍下：

一个源程序，一般经过下面的几个步骤：  
![图1 C语言编译连接流程图][1 C]

上图中写到，C程序编译连接为目标文件，一共有5个步骤。分别为预处理，编译，汇编，连接。

*  预处理：主要处理源代码的文本文件，对源代码做一些预处理，编程纯粹的C语言文件。主要处理的有用定义，文件包含和条件编译。
 *  编译：将C语言（高级语言）生成汇编（低级语言）。
 *  汇编：把汇编语言翻译成机器语言，即将汇编语言变成0101010…… 需要注意的是，上面的三步都是相对于单个文件进行操作的，最后通过下面的连接，将他们连接成一个可执行的程序。
 *  连接：用来把要执行的程序与库文件或其他已经翻译好的子程序（能完成一种独立功能的程序模块）连接在一起，形成机器能执行的程序。

## 实际例子讲解 ##

**源程序**

*test.h*

#define VALUE 0

*test.c*

#include"test.h"
    
    #ifndef MARK
    #undef VALUE
    #define VALUE 100
    #else
    #undef VALUE
    #define VALUE 200
    #endif
    
    int main(){
        int vlaue = VALUE;
    
        return vlaue;
    }

**预处理之后的纯C文件**

在shell中，键入：

gcc -o test.i -E test.c

产生下面的纯C文件：

int main(){
     int vlaue = 100;
    
     return vlaue;
    }

之前源文件中的宏定义，文件包含等等的都被预处理程序处理掉了，生成了一个干净的C文件。

**编译之后的汇编文件**

在shell中，键入：

gcc -o test.S -S test.i

产生下面的汇编文件：

.file   "test.c"            #文件名
        .text                       #代码段
        .globl  main                #定义全局函数
        .type   main, @function     
    main:
    .LFB0:
        .cfi_startproc
        pushq   %rbp
        .cfi_def_cfa_offset 16
        .cfi_offset 6, -16
        movq    %rsp, %rbp
        .cfi_def_cfa_register 6
        movl    $100, -4(%rbp)
        movl    -4(%rbp), %eax
        popq    %rbp
        .cfi_def_cfa 7, 8
        ret
        .cfi_endproc
    .LFE0:
        .size   main, .-main
        .ident  "GCC: (Ubuntu 5.2.1-22ubuntu2) 5.2.1 20151010"
        .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

通过编译将C文件编译成了汇编文件。这里面的语法，我们先不用了解，在后面的讲解中，会慢慢解释。

**将汇编文件汇编成目标文件**

在shell中，键入：

gcc -o test.o -c test.S

产生下面的二进制文件：

7f45 4c46 0201 0100 0000 0000 0000 0000
    0100 3e00 0100 0000 0000 0000 0000 0000
    0000 0000 0000 0000 1002 0000 0000 0000
    ………………

在汇编步骤中，将以前我们人类易于理解的指令代码，变成了机器易于理解的二进制。汇编步骤，其实就是将汇编码翻译成为机器码。

**将目标文件连接成可执行文件**

在shell中，键入：

gcc -o test test.o

产生下面的二进制文件：

7f45 4c46 0201 0100 0000 0000 0000 0000
    0200 3e00 0100 0000 0004 4000 0000 0000
    4000 0000 0000 0000 c019 0000 0000 0000
    ………………

通过连接，将test函数和其他的库，启动函数，等等文件连接。ps：没有连接启动函数，test文件无法被执行，恕我知识浅薄，现在所了解的，就只有这么一点了。希望读者多多提意见。

# C语言嵌入汇编 #

在内核中，C语言中，嵌入汇编语言是一种比较常见的方式，汇编用于执行效率要求高的代码块。

**下面是嵌入汇编格式：**

asm("汇编语言"
        :输出寄存器
        :输入寄存器
        :会被修改的寄存器);

下面对上面格式进行简单介绍：  
\+ asm：为内联汇编语句的关键词  
\+ 输出寄存器：表示当这段嵌入式汇编执行完之后，哪些寄存器用于输出数据。  
\+ 输入寄存器：表示执行汇编代码时，指定一些寄存器中应存放的输入值。  
\+ 会被修改的寄存器：表示你已对其中列出的寄存器中的值进行了改动。

## 实际例子讲解 ##

#define get_seg_byte(seg,addr) ({ \
    register char __res; \
    __asm__("push %%fs;                 //保存fs寄存器内容
            mov %%ax,%%fs;              //给fs赋予ax中的内容（ax的内容 在"输入寄存器"模块 中已经设置）
            movb %%fs:%2,%%al;          //取seg：addr处1字节内容到al寄存器中
            pop %%fs"                   //返回fs寄存器内容
            :"=a" (__res)               //输出寄存器：将eax寄存器中的内容赋给__res变量
            :"0" (seg),"m" (*(addr))); //输入寄存器：eax寄存器=seg   内存地址=addr地址
    __res;})

下面是对这个例子的详细描述：

*  首先：要分析一个嵌入汇编代码块，需要先看的就是：输出寄存器，输入寄存器，会被修改的寄存器这三个模块。
    
     *  输出寄存器：在代码执行完毕之后，将eax寄存器中数据赋值给变量\_\_res。这里需要注意赋值的格式：”=a”(\_\_res)
     *  输入寄存器：在代码执行之前，给eax赋予值seg，给内存地址赋予值\*addr。
     *  会被修改的寄存器：表示你已对列出的寄存器中的值进行改动了。这样gcc编译器就知道不能在依赖于它原先对这些寄存器加载值了。
    
    对在输入寄存器中的数字0进行说明：  
    在嵌入汇编程序规定把输入输出寄存器统一按照顺序编号，顺序是从输入寄存器序列从左到右从上到下以”%0”开始，分别为%1，%2，%3……
    
    对寄存器a，m进行说明：  
    在输入寄存器中有=a，在输出寄存器中有m，那么他们是怎么和寄存器映射的呢？下面是映射关系图：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <th colspan="1" align="center">代码</th> 
   <th colspan="1" align="center">说明</th> 
   <th colspan="1" align="center">代码</th> 
   <th colspan="1" align="center">说明</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>a</td> 
   <td>使用寄存器eax</td> 
   <td>m</td> 
   <td>使用内存地址</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>b</td> 
   <td>使用寄存器ebx</td> 
   <td>o</td> 
   <td>使用内存地址并可以加偏移值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>c</td> 
   <td>使用寄存器ecx</td> 
   <td>I</td> 
   <td>使用常数0-31</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>d</td> 
   <td>使用寄存器edx</td> 
   <td>J</td> 
   <td>使用常数0-63</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>S</td> 
   <td>使用esi</td> 
   <td>K</td> 
   <td>使用常数0-255</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>D</td> 
   <td>使用edi</td> 
   <td>L</td> 
   <td>使用常数0-65535</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>q</td> 
   <td>使用动态分配字节可寻址寄存器（eax，ebx，ecx或edx</td> 
   <td>M</td> 
   <td>使用常数0-3</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>r</td> 
   <td>使用任意动态分配的寄存器</td> 
   <td>N</td> 
   <td>使用1字节常数（0-255）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>g</td> 
   <td>使用通用有效的地址即可（eax，ebx，ecx，edx或内存变量）</td> 
   <td>O</td> 
   <td>使用常数0-31</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>A</td> 
   <td>使用eax与edx联合（64位</td> 
   <td>=</td> 
   <td>输出操作数，输出值将替换前值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>+</td> 
   <td>表示操作数可读可写</td> 
   <td>&amp;</td> 
   <td>早期汇编的操作数。表示在使用完操作数之前，内容会被修改</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  代码模块分析：  
    
    
     *  格式注意，在嵌入汇编中，我们需要对汇编代码加上双引号，例如“push %%fs”
     *  对输入输出寄存器的操作：之前讲到，我们通过%num来操作输入输出寄存器，下面就是一个例子：  
        
        
            movb %%fs:%2,%%al;      //fs之前赋值了，等于seg，%2表示*addr地址

经过这样一番描述，你是不是对嵌入汇编有了一定的了解呢？ ^\_^~~ 如果还是不怎么懂的话，可以把你的问题贴出来，大家一起研究哦（ps：我是菜鸟~）

[1 C]: /images/20220731/bece7e05d2a7450eb486ac3838332511.png