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卜娃娃|汇编语言入门教程


学习编程其实就是学高级语言 ， 即那些为人类设计的计算机语言 。
但是 ， 计算机不理解高级语言 ， 必须通过编译器转成二进制代码 ， 才能运行 。 学会高级语言 ， 并不等于理解计算机实际的运行步骤 。
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计算机真正能够理解的是低级语言 ， 它专门用来控制硬件 。 汇编语言就是低级语言 ， 直接描述/控制 CPU 的运行 。 如果你想了解 CPU 到底干了些什么 ， 以及代码的运行步骤 ， 就一定要学习汇编语言 。
汇编语言不容易学习 ， 就连简明扼要的介绍都很难找到 。 下面我尝试写一篇最好懂的汇编语言教程 ， 解释 CPU 如何执行代码 。
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我们知道 ， CPU 只负责计算 ， 本身不具备智能 。 你输入一条指令（instruction） ， 它就运行一次 ， 然后停下来 ， 等待下一条指令 。
这些指令都是二进制的 ， 称为操作码（opcode） ， 比如加法指令就是00000011 。 编译器的作用 ， 就是将高级语言写好的程序 ， 翻译成一条条操作码 。
对于人类来说 ， 二进制程序是不可读的 ， 根本看不出来机器干了什么 。 为了解决可读性的问题 ， 以及偶尔的编辑需求 ， 就诞生了汇编语言 。

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汇编语言是二进制指令的文本形式 ， 与指令是一一对应的关系 。 比如 ， 加法指令00000011写成汇编语言就是 ADD 。 只要还原成二进制 ， 汇编语言就可以被 CPU 直接执行 ， 所以它是最底层的低级语言 。
最早的时候 ， 编写程序就是手写二进制指令 ， 然后通过各种开关输入计算机 ， 比如要做加法了 ， 就按一下加法开关 。 后来 ， 发明了纸带打孔机 ， 通过在纸带上打孔 ， 将二进制指令自动输入计算机 。
为了解决二进制指令的可读性问题 ， 工程师将那些指令写成了八进制 。 二进制转八进制是轻而易举的 ， 但是八进制的可读性也不行 。 很自然地 ， 最后还是用文字表达 ， 加法指令写成 ADD 。 内存地址也不再直接引用 ， 而是用标签表示 。
这样的话 ， 就多出一个步骤 ， 要把这些文字指令翻译成二进制 ， 这个步骤就称为 assembling ， 完成这个步骤的程序就叫做 assembler 。 它处理的文本 ， 自然就叫做 aseembly code 。 标准化以后 ， 称为 assembly language ， 缩写为 asm ， 中文译为汇编语言 。
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每一种 CPU 的机器指令都是不一样的 ， 因此对应的汇编语言也不一样 。 本文介绍的是目前最常见的 x86 汇编语言 ， 即 Intel 公司的 CPU 使用的那一种 。
学习汇编语言 ， 首先必须了解两个知识点：寄存器和内存模型 。
先来看寄存器 。 CPU 本身只负责运算 ， 不负责储存数据 。 数据一般都储存在内存之中 ， CPU 要用的时候就去内存读写数据 。 但是 ， CPU 的运算速度远高于内存的读写速度 ， 为了避免被拖慢 ， CPU 都自带一级缓存和二级缓存 。 基本上 ， CPU 缓存可以看作是读写速度较快的内存 。
但是 ， CPU 缓存还是不够快 ， 另外数据在缓存里面的地址是不固定的 ， CPU 每次读写都要寻址也会拖慢速度 。 因此 ， 除了缓存之外 ， CPU 还自带了寄存器（register） ， 用来储存最常用的数据 。 也就是说 ， 那些最频繁读写的数据（比如循环变量） ， 都会放在寄存器里面 ， CPU 优先读写寄存器 ， 再由寄存器跟内存交换数据 。
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寄存器不依靠地址区分数据 ， 而依靠名称 。 每一个寄存器都有自己的名称 ， 我们告诉 CPU 去具体的哪一个寄存器拿数据 ， 这样的速度是最快的 。 有人比喻寄存器是 CPU 的零级缓存 。

早期的 x86 CPU 只有8个寄存器 ， 而且每个都有不同的用途 。 现在的寄存器已经有100多个了 ， 都变成通用寄存器 ， 不特别指定用途了 ， 但是早期寄存器的名字都被保存了下来 。
EAX
EBX
ECX
EDX
EDI
ESI
EBP
ESP
上面这8个寄存器之中 ， 前面七个都是通用的 。 ESP 寄存器有特定用途 ， 保存当前 Stack 的地址（详见下一节） 。
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我们常常看到 32位 CPU、64位 CPU 这样的名称 ， 其实指的就是寄存器的大小 。 32 位 CPU 的寄存器大小就是4个字节 。
寄存器只能存放很少量的数据 ， 大多数时候 ， CPU 要指挥寄存器 ， 直接跟内存交换数据 。 所以 ， 除了寄存器 ， 还必须了解内存怎么储存数据 。
程序运行的时候 ， 操作系统会给它分配一段内存 ， 用来储存程序和运行产生的数据 。 这段内存有起始地址和结束地址 ， 比如从0x1000到0x8000 ， 起始地址是较小的那个地址 ， 结束地址是较大的那个地址 。
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程序运行过程中 ， 对于动态的内存占用请求（比如新建对象 ， 或者使用malloc命令） ， 系统就会从预先分配好的那段内存之中 ， 划出一部分给用户 ， 具体规则是从起始地址开始划分（实际上 ， 起始地址会有一段静态数据 ， 这里忽略） 。 举例来说 ， 用户要求得到10个字节内存 ， 那么从起始地址0x1000开始给他分配 ， 一直分配到地址0x100A ， 如果再要求得到22个字节 ， 那么就分配到0x1020 。
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这种因为用户主动请求而划分出来的内存区域 ， 叫做 Heap（堆） 。 它由起始地址开始 ， 从低位（地址）向高位（地址）增长 。 Heap 的一个重要特点就是不会自动消失 ， 必须手动释放 ， 或者由垃圾回收机制来回收 。
除了 Heap 以外 ， 其他的内存占用叫做 Stack（栈） 。 简单说 ， Stack 是由于函数运行而临时占用的内存区域 。
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请看下面的例子 。
int main() {
int a = 2;
int b = 3;
}

上面代码中 ， 系统开始执行main函数时 ， 会为它在内存里面建立一个帧（frame） ， 所有main的内部变量（比如a和b）都保存在这个帧里面 。 main函数执行结束后 ， 该帧就会被回收 ， 释放所有的内部变量 ， 不再占用空间 。
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如果函数内部调用了其他函数 ， 会发生什么情况？
int main() { int a = 2; int b = 3; return add_a_and_b(a, b); }
上面代码中 ， main函数内部调用了add_a_and_b函数 。 执行到这一行的时候 ， 系统也会为add_a_and_b新建一个帧 ， 用来储存它的内部变量 。 也就是说 ， 此时同时存在两个帧：main和add_a_and_b 。 一般来说 ， 调用栈有多少层 ， 就有多少帧 。
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等到add_a_and_b运行结束 ， 它的帧就会被回收 ， 系统会回到函数main刚才中断执行的地方 ， 继续往下执行 。 通过这种机制 ， 就实现了函数的层层调用 ， 并且每一层都能使用自己的本地变量 。

所有的帧都存放在 Stack ， 由于帧是一层层叠加的 ， 所以 Stack 叫做栈 。 生成新的帧 ， 叫做"入栈" ， 英文是 push；栈的回收叫做"出栈" ， 英文是 pop 。 Stack 的特点就是 ， 最晚入栈的帧最早出栈（因为最内层的函数调用 ， 最先结束运行） ， 这就叫做"后进先出"的数据结构 。 每一次函数执行结束 ， 就自动释放一个帧 ， 所有函数执行结束 ， 整个 Stack 就都释放了 。
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Stack 是由内存区域的结束地址开始 ， 从高位（地址）向低位（地址）分配 。 比如 ， 内存区域的结束地址是0x8000 ， 第一帧假定是16字节 ， 那么下一次分配的地址就会从0x7FF0开始；第二帧假定需要64字节 ， 那么地址就会移动到0x7FB0 。
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7.1 一个实例
了解寄存器和内存模型以后 ， 就可以来看汇编语言到底是什么了 。 下面是一个简单的程序example.c 。
int add_a_and_b(int a, int b) { return a + b; }
int main() { return add_a_and_b(2, 3); }
gcc 将这个程序转成汇编语言 。
$ gcc -S example.c

上面的命令执行以后 ， 会生成一个文本文件example.s ， 里面就是汇编语言 ， 包含了几十行指令 。 这么说吧 ， 一个高级语言的简单操作 ， 底层可能由几个 ， 甚至几十个 CPU 指令构成 。 CPU 依次执行这些指令 ， 完成这一步操作 。
example.s经过简化以后 ， 大概是下面的样子 。
_add_a_and_b:
push %ebx
mov %eax, [%esp+8]
mov %ebx, [%esp+12]
add %eax, %ebx
pop %ebx
ret
_main:
push 3
push 2
call _add_a_and_b
add %esp, 8
ret
可以看到 ， 原程序的两个函数add_a_and_b和main ， 对应两个标签_add_a_and_b和_main 。 每个标签里面是该函数所转成的 CPU 运行流程 。
每一行就是 CPU 执行的一次操作 。 它又分成两部分 ， 就以其中一行为例 。
push %ebx
这一行里面 ， push是 CPU 指令 ， %ebx是该指令要用到的运算子 。 一个 CPU 指令可以有零个到多个运算子 。
下面我就一行一行讲解这个汇编程序 ， 建议读者最好把这个程序 ， 在另一个窗口拷贝一份 ， 省得阅读的时候再把页面滚动上来 。
7.2 push 指令
根据约定 ， 程序从_main标签开始执行 ， 这时会在 Stack 上为main建立一个帧 ， 并将 Stack 所指向的地址 ， 写入 ESP 寄存器 。 后面如果有数据要写入main这个帧 ， 就会写在 ESP 寄存器所保存的地址 。

然后 ， 开始执行第一行代码 。
push 3
push指令用于将运算子放入 Stack ， 这里就是将3写入main这个帧 。
虽然看上去很简单 ， push指令其实有一个前置操作 。 它会先取出 ESP 寄存器里面的地址 ， 将其减去4个字节 ， 然后将新地址写入 ESP 寄存器 。 使用减法是因为 Stack 从高位向低位发展 ， 4个字节则是因为3的类型是int ， 占用4个字节 。 得到新地址以后 ，3 就会写入这个地址开始的四个字节 。
push 2
第二行也是一样 ， push指令将2写入main这个帧 ， 位置紧贴着前面写入的3 。 这时 ， ESP 寄存器会再减去 4个字节（累计减去8） 。
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7.3 call 指令
第三行的call指令用来调用函数 。
call _add_a_and_b
上面的代码表示调用add_a_and_b函数 。 这时 ， 程序就会去找_add_a_and_b标签 ， 并为该函数建立一个新的帧 。
下面就开始执行_add_a_and_b的代码 。
push %ebx
这一行表示将 EBX 寄存器里面的值 ， 写入_add_a_and_b这个帧 。 这是因为后面要用到这个寄存器 ， 就先把里面的值取出来 ， 用完后再写回去 。
这时 ， push指令会再将 ESP 寄存器里面的地址减去4个字节（累计减去12） 。
7.4 mov 指令
mov指令用于将一个值写入某个寄存器 。
mov %eax, [%esp+8]

这一行代码表示 ， 先将 ESP 寄存器里面的地址加上8个字节 ， 得到一个新的地址 ， 然后按照这个地址在 Stack 取出数据 。 根据前面的步骤 ， 可以推算出这里取出的是2 ， 再将2写入 EAX 寄存器 。
下一行代码也是干同样的事情 。
mov %ebx, [%esp+12]
上面的代码将 ESP 寄存器的值加12个字节 ， 再按照这个地址在 Stack 取出数据 ， 这次取出的是3 ， 将其写入 EBX 寄存器 。
7.5 add 指令
add指令用于将两个运算子相加 ， 并将结果写入第一个运算子 。
add %eax, %ebx
上面的代码将 EAX 寄存器的值（即2）加上 EBX 寄存器的值（即3） ， 得到结果5 ， 再将这个结果写入第一个运算子 EAX 寄存器 。
7.6 pop 指令
pop指令用于取出 Stack 最近一个写入的值（即最低位地址的值） ， 并将这个值写入运算子指定的位置 。
pop %ebx
上面的代码表示 ， 取出 Stack 最近写入的值（即 EBX 寄存器的原始值） ， 再将这个值写回 EBX 寄存器（因为加法已经做完了 ， EBX 寄存器用不到了） 。
注意 ， pop指令还会将 ESP 寄存器里面的地址加4 ， 即回收4个字节 。
7.7 ret 指令
ret指令用于终止当前函数的执行 ， 将运行权交还给上层函数 。 也就是 ， 当前函数的帧将被回收 。
ret
可以看到 ， 该指令没有运算子 。
随着add_a_and_b函数终止执行 ， 系统就回到刚才main函数中断的地方 ， 继续往下执行 。
add %esp, 8
上面的代码表示 ， 将 ESP 寄存器里面的地址 ， 手动加上8个字节 ， 再写回 ESP 寄存器 。 这是因为 ESP 寄存器的是 Stack 的写入开始地址 ， 前面的pop操作已经回收了4个字节 ， 这里再回收8个字节 ， 等于全部回收 。
ret
最后 ， main函数运行结束 ， ret指令退出程序执行 。
作者： 阮一峰
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