編程之道

第三章 操作內(nèi)存

在前面的章節(jié)中，我們已經(jīng)了解了寄存器的基本使用方法。而正如結(jié)尾提到的那樣，僅僅使用寄存器做一點運算是沒有什么太大意義的，畢竟它們不能保存太多的數(shù)據(jù)，因此，對編程人員而言，他肯定迫切地希望訪問內(nèi)存，以保存更多的數(shù)據(jù)。

我將分別介紹如何在保護模式和實模式操作內(nèi)存，然而在此之前，我們先熟悉一下這兩種模式中內(nèi)存的結(jié)構(gòu)。

3.1 實模式

事實上，在實模式中，內(nèi)存比保護模式中的結(jié)構(gòu)更令人困惑。內(nèi)存被分割成段，并且，操作內(nèi)存時，需要指定段和偏移量。不過，理解這些概念是非常容易的事情。請看下面的圖：

段-寄存器這種格局是早期硬件電路限制留下的一個傷疤。地址總線在當(dāng)時有20-bit。

然而20-bit的地址不能放到16-bit的寄存器里，這意味著有4-bit必須放到別的地方。因此，為了訪問所有的內(nèi)存，必須使用兩個16-bit寄存器。

這一設(shè)計上的折衷方案導(dǎo)致了今天的段-偏移量格局。最初的設(shè)計中，其中一個寄存器只有4-bit有效，然而為了簡化程序，兩個寄存器都是16-bit有效，并在執(zhí)行時求出加權(quán)和來標(biāo)識20-bit地址。

偏移量是16-bit的，因此，一個段是64KB。下面的圖可以幫助你理解20-bit地址是如何形成的：

段-偏移量標(biāo)識的地址通常記做 段:偏移量 的形式。

由于這樣的結(jié)構(gòu)，一個內(nèi)存有多個對應(yīng)的地址。例如，0000:0010和0001:0000指的是同一內(nèi)存地址。又如，

0000:1234 = 0123:0004 = 0120:0034 = 0100:0234
0001:1234 = 0124:0004 = 0120:0044 = 0100:0244

作為負(fù)面影響之一，在段上加1相當(dāng)于在偏移量上加16，而不是一個“全新”的段。反之，在偏移量上加16也和在段上加1等價。某些時候，據(jù)此認(rèn)為段的“粒度”是16字節(jié)。

練習(xí)題
嘗試一下將下面的地址轉(zhuǎn)化為20bit的地址：

稍高一些的要求是，寫一個程序?qū)⒍螢锳X、偏移量為BX的地址轉(zhuǎn)換為20bit的地址，并保存于EAX中。

[上面習(xí)題的答案]

地址轉(zhuǎn)換
2EA8:D678 -> 物理的 3C0F8
694E:175A -> 物理的 6AC4A
26CF:8D5F -> 物理的 2FA4F
2B3C:D218 -> 物理的 385E8
453A:CFAD -> 物理的 5235D
728F:6578 -> 物理的 78E68
2933:31A6 -> 物理的 2C4D6
68E1:A7DC -> 物理的 735FC<

編程
shl eax,4
add eax,bx
注意 編程問題答案并不唯一，但給出的這份參考答案應(yīng)該已經(jīng)是“優(yōu)化到頭”了。

我們現(xiàn)在可以寫一個真正的程序了。

經(jīng)典程序：Hello, world

那么，我們需要解釋很多東西。

首先，作為匯編語言的抽象，C語言擁有“指針”這個數(shù)據(jù)類型。在匯編語言中，幾乎所有對內(nèi)存的操作都是由對給定地址的內(nèi)存進行訪問來完成的。這樣，在匯編語言中，絕大多數(shù)操作都要和指針產(chǎn)生或多或少的聯(lián)系。

這里我想強調(diào)的是，由于這一特性，匯編語言中同樣會出現(xiàn)C程序中常見的緩沖區(qū)溢出問題。如果你正在設(shè)計一個與安全有關(guān)的系統(tǒng)，那么最好是仔細(xì)檢查你用到的每一個串，例如，它們是否一定能夠以你預(yù)期的方式結(jié)束，以及（如果使用的話）你的緩沖區(qū)是否能保證實際可能輸入的數(shù)據(jù)不被寫入到它以外的地方。作為一個匯編語言程序員，你有義務(wù)檢查每一行代碼的可用性。

程序中的equ偽指令是宏匯編特有的，它的意思接近于C或Pascal中的const（常量）。多數(shù)情況下，equ偽指令并不為符號分配空間。

此外，匯編程序執(zhí)行一項操作是非常繁瑣的，通常，在對與效率要求不高的地方，我們習(xí)慣使用系統(tǒng)提供的中斷服務(wù)來完成任務(wù)。例如本例中的中斷21h，它是DOS時代的中斷服務(wù)，在Windows中，它也被認(rèn)為是Windows API的一部分（這一點可以在Microsoft的文檔中查到）。中斷可以被理解為高級語言中的子程序，但又不完全一樣——中斷使用系統(tǒng)棧來保存當(dāng)前的機器狀態(tài)，可以由硬件發(fā)起，通過修改機器狀態(tài)字來反饋信息，等等。

那么，最后一段通過DB存放的數(shù)據(jù)到底保存在哪里了呢？答案是緊挨著代碼存放。在匯編語言中，DB和普通的指令的地位是相同的。如果你的匯編程序并不知道新的助記符（例如，新的處理器上的CPUID指令），而你很清楚，那么可以用DB 機器碼的方式強行寫下指令。這意味著，你可以超越匯編器的能力撰寫匯編程序，然而，直接用機器碼編程是幾乎肯定是一件費力不討好的事——匯編器廠商會經(jīng)常更新它所支持的指令集以適應(yīng)市場需要，而且，你可以期待你的匯編其能夠產(chǎn)生正確的代碼，因為機器查表是不會出錯的。既然機器能夠幫我們做將程序轉(zhuǎn)換為代碼這件事情，那么為什么不讓它來做呢？

細(xì)心的讀者不難發(fā)現(xiàn)，在程序中我們沒有對DS進行賦值。那么，這是否意味著程序的結(jié)果將是不可預(yù)測的呢？答案是否定的。DOS（或Windows中的MS-DOS VM）在加載.com文件的時候，會對寄存器進行很多初始化。.com文件被限制為小于64KB，這樣，它的代碼段、數(shù)據(jù)段都被裝入同樣的數(shù)值（即，初始狀態(tài)下DS=CS）。

也許會有人說，“嘿，這聽起來不太好，一個64KB的程序能做得了什么呢？還有，你吹得天花亂墜的堆棧段在什么地方？”那么，我們來看看下面這個新的Hello world程序，它是一個EXE文件，在DOS實模式下運行。

561字節(jié)？實現(xiàn)相同功能的程序大了這么多！為什么呢？我們看到，程序擁有了完整的堆棧段、數(shù)據(jù)段、代碼段，其中堆棧段足足占掉了512字節(jié)，其余的基本上沒什么變化。

分成多個段有什么好處呢？首先，它讓程序顯得更加清晰——你肯定更愿意看一個結(jié)構(gòu)清楚的程序，代碼中hard-coded的字符串、數(shù)據(jù)讓人覺得費解。比如，mov dx, 0152h肯定不如mov dx, offset Message來的親切。此外，通過分段你可以使用更多的內(nèi)存，比如，代碼段騰出的空間可以做更多的事情。exe文件另一個吸引人的地方是它能夠?qū)崿F(xiàn)“重定位”。現(xiàn)在你不需要指定程序入口點的地址了，因為系統(tǒng)會找到你的程序入口點，而不是死板的100h。

程序中的符號也會在系統(tǒng)加載的時候重新賦予新的地址。exe程序能夠保證你的設(shè)計容易地被實現(xiàn)，不需要考慮太多的細(xì)節(jié)。

當(dāng)然，我們的主要目的是將匯編語言作為高級語言的一個有用的補充。如我在開始提到的那樣，真正完全用匯編語言實現(xiàn)的程序不一定就好，因為它不便于維護，而且，由于結(jié)構(gòu)的原因，你也不太容易確保它是正確的；匯編語言是一種非結(jié)構(gòu)化的語言，調(diào)試一個精心設(shè)計的匯編語言程序，即使對于一個老手來說也不啻是一場惡夢，因為你很可能掉到別人預(yù)設(shè)的“陷阱”中——這些技巧確實提高了代碼性能，然而你很可能不理解它，于是你把它改掉，接著就發(fā)現(xiàn)程序徹底敗掉了。使用匯編語言加強高級語言程序時，你要做的通常只是使用匯編指令，而不必搭建完整的匯編程序。絕大多數(shù)（也是目前我遇到的全部）C/C++編譯器都支持內(nèi)嵌匯編，即在程序中使用匯編語言，而不必撰寫單獨的匯編語言程序——這可以節(jié)省你的不少精力，因為前面講述的那些偽指令，如equ等，都可以用你熟悉的高級語言方式來編寫，編譯器會把它轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)男问健?/p>

需要說明的是，在高級語言中一定要注意編譯結(jié)果。編譯器會對你的匯編程序做一些修改，這不一定符合你的要求（附帶說一句，有時編譯器會很聰明地調(diào)整指令順序來提高性能，這種情況下最好測試一下哪種寫法的效果更好），此時需要做一些更深入的修改，或者用db來強制編碼。

3.2 保護模式

實模式的東西說得太多了，盡管我已經(jīng)刪掉了許多東西，并把一些原則性的問題拿到了這一節(jié)討論。這樣做不是沒有理由的——保護模式才是現(xiàn)在的程序（除了操作系統(tǒng)的底層啟動代碼）最常用的CPU模式。保護模式提供了很多令人耳目一新的功能，包括內(nèi)存保護（這是保護模式這個名字的來源）、進程支持、更大的內(nèi)存支持，等等。

對于一個編程人員來說，能“偷懶”是一件令人愉快的事情。這里“偷懶”是說把“應(yīng)該”由系統(tǒng)做的事情做的事情全都交給系統(tǒng)。為什么呢？這出自一個基本思想——人總有犯錯誤的時候，然而規(guī)則不會，正確地了解規(guī)則之后，你可以期待它像你所了解的那樣執(zhí)行。對于C程序來說，你自己用C語言寫的實現(xiàn)相同功能的函數(shù)通常沒有系統(tǒng)提供的函數(shù)性能好（除非你用了比函數(shù)庫好很多的算法），因為系統(tǒng)的函數(shù)往往使用了更好的優(yōu)化，甚至可能不是用C語言直接編寫的。

當(dāng)然，“偷懶”的意思是說，把那些應(yīng)該讓機器做的事情交給計算機來做，因為它做得更好。我們應(yīng)該把精力集中到設(shè)計算法，而不是編寫源代碼本身上，因為編譯器幾乎只能做等價優(yōu)化，而實現(xiàn)相同功能，但使用更好算法的程序?qū)崿F(xiàn)，則幾乎只能由人自己完成。

舉個例子，這樣一個函數(shù)：

在某種編譯模式[DEBUG]下被編譯為

而在另一種模式[RELEASE/MINSIZE]下卻被編譯為

如果讓我來寫，多半會寫成

為什么這樣寫呢？我們看到，i是一個外界不能影響、也無法獲知的內(nèi)部狀態(tài)量。作為這段程序來說，對它的計算對于結(jié)果并沒有直接的影響——它的存在不過是方便算法描述而已。并且我們看到的，這段程序?qū)嶋H上無論執(zhí)行多少次，其結(jié)果都不會發(fā)生變化，因此，直接返回計算結(jié)果就可以了，計算是多余的（如果說一定要算，那么應(yīng)該是編譯器在編譯過程中完成它）。

更進一步，我們甚至希望編譯器能夠直接把這個函數(shù)變成一個符號常量，這樣連操作堆棧的過程也省掉了。

第三種結(jié)果屬于“等效”代碼，而不是“等價”代碼。作為用戶，很多時候是希望編譯器這樣做的，然而由于目前的技術(shù)尚不成熟，有時這種做法會造成一些問題（gcc和g++的頂級優(yōu)化可以造成編譯出的FreeBSD內(nèi)核行為異常，這是我在FreeBSD上遇到的唯一一次軟件原因的kernel panic），因此，并不是所有的編譯器都這樣做（另一方面的原因是，如果編譯器在這方面做的太過火，例如自動求解全部“固定”問題，那么如果你的程序是解決固定的問題“很大”，如求解迷宮，那么在編譯過程中你就會找錘子來砸計算機了）。然而，作為編譯器制造商，為了提高自己的產(chǎn)品的競爭力，往往會使用第三種代碼來做函數(shù)庫。正如前面所提到的那樣，這種優(yōu)化往往不是編譯器本身的作用，盡管現(xiàn)代編譯程序擁有編譯執(zhí)行、循環(huán)代碼外提、無用代碼去除等諸多優(yōu)化功能，但它都不能保證程序最優(yōu)。最后一種代碼恐怕很少有編譯器能夠做到，不信你可以用自己常用的編譯器加上各種優(yōu)化選項試試:)

發(fā)現(xiàn)什么了嗎？三種代碼中，對于內(nèi)存的訪問一個比一個少。這樣做的理由是，盡可能地利用寄存器并減少對內(nèi)存的訪問，可以提高代碼性能。在某些情況下，使代碼既小又快是可能的。

書歸正傳，我們來說說保護模式的內(nèi)存模型。保護模式的內(nèi)存和實模式有很多共同之處。

毫無疑問，以'protected mode'(保護模式), 'global descriptor table'(全局描述符表), 'local descriptor table'(本地描述符表)和'selector'(選擇器)搜索，你會得到完整介紹它們的大量信息。

保護模式與實模式的內(nèi)存類似，然而，它們之間最大的區(qū)別就是保護模式的內(nèi)存是“線性”的。

新的計算機上，32-bit的寄存器已經(jīng)不是什么新鮮事（如果你哪天聽說你的CPU的寄存器不是32-bit的，那么它——簡直可以肯定地說——的字長要比32-bit還要多。新的個人機上已經(jīng)開始逐步采用64-bit的CPU了），換言之，實際上段/偏移量這一格局已經(jīng)不再需要了。盡管如此，在繼續(xù)看保護模式內(nèi)存結(jié)構(gòu)時，仍請記住段/偏移量的概念。不妨把段寄存器看作對于保護模式中的選擇器的一個模擬。選擇器是全局描述符表(Global Descriptor Table, GDT)或本地描述符表(Local Descriptor Table, LDT)的一個指針。

如圖所示，GDT和LDT的每一個項目都描述一塊內(nèi)存。例如，一個項目中包含了某塊被描述的內(nèi)存的物理的基地址、長度，以及其他一些相關(guān)信息。

保護模式是一個非常重要的概念，同時也是目前撰寫應(yīng)用程序時，最常用的CPU模式（運行在新的計算機上的操作系統(tǒng)很少有在實模式下運行的）。

為什么叫保護模式呢？它“保護”了什么？答案是進程的內(nèi)存。保護模式的主要目的在于允許多個進程同時運行，并保護它們的內(nèi)存不受其他進程的侵犯。這有點類似于C++中的機制，然而它的強制力要大得多。如果你的進程在保護模式下以不恰當(dāng)?shù)姆绞皆L問了內(nèi)存（例如，寫了“只讀”內(nèi)存，或讀了不可讀的內(nèi)存，等等），那么CPU就會產(chǎn)生一個異常。這個異常將交給操作系統(tǒng)處理，而這種處理，假如你的程序沒有特別說明操作系統(tǒng)該如何處理的話，一般就是殺掉做錯了事情的進程。

我像這樣的對話框大家一定非常熟悉（臨時寫了一個程序故意造成的錯誤）：

好的，只是一個程序崩潰了，而操作系統(tǒng)的其他進程照常運行（同樣的程序在DOS中幾乎是板上釘釘?shù)乃罊C，因為NULL指針的位置恰好是中斷向量表），你甚至還可以調(diào)試它。

保護模式還有其他很多好處，在此就不一一贅述了。實模式和保護模式之間的切換問題我打算放在后面的“高級技巧”一章來講，因為多數(shù)程序并不涉及這個。

了解了內(nèi)存的格局，我們就可以進入下一節(jié)——操作內(nèi)存了。

3.3 操作內(nèi)存

前兩節(jié)中，我們介紹了實模式和保護模式中使用的不同的內(nèi)存格局。現(xiàn)在開始解釋如何使用這些知識。

回憶一下前面我們說過的，寄存器可以用作內(nèi)存指針。現(xiàn)在，是他們發(fā)揮作用的時候了。

可以將內(nèi)存想象為一個順序的字節(jié)流。使用指針，可以任意地操作（讀寫）內(nèi)存。

現(xiàn)在我們需要一些其他的指令格式來描述對于內(nèi)存的操作。操作內(nèi)存時，首先需要的就是它的地址。

讓我們來看看下面的代碼：

方括號表示，里面的表達(dá)式指定的不是立即數(shù)，而是偏移量。在實模式中，DS:0中的那個字（16-bit長）將被裝入AX。

然而0是一個常數(shù)，如果需要在運行的時候加以改變，就需要一些特殊的技巧，比如程序自修改。匯編支持這個特性，然而我個人并不推薦這種方法——自修改大大降低程序的可讀性，并且還降低穩(wěn)定性，性能還不一定好。我們需要另外的技術(shù)。

看起來舒服了一些，不是嗎？BX寄存器的內(nèi)容可以隨時更改，而不需要用冗長的代碼去修改自身，更不用擔(dān)心由此帶來的不穩(wěn)定問題。

同樣的，mov指令也可以把數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存中：

在存儲器與寄存器之間交換數(shù)據(jù)應(yīng)該足夠清楚了。

有些時候我們會需要操作符來描述內(nèi)存數(shù)據(jù)的寬度：

例如，在DS:100h處保存1234h，以字存放：

于是我們將mov指令擴展為：

需要說明的是，加減同樣也可以在[]中使用，例如：

等等。我們看到，對于內(nèi)存的操作，即使使用MOV指令，也有許多種可能的方式。下一節(jié)中，我們將介紹如何操作串。

感謝 網(wǎng)友 水杉 指出此答案中的一處錯誤。
感謝 Heallven 指出.COM程序?qū)嵗幾g失敗的問題