原創(chuàng)：司徒彥南
4.0 利用子程序與中斷
已經(jīng)掌握了匯編語言？沒錯，你現(xiàn)在已經(jīng)可以去破譯別人代碼中的秘密。然而，我們還有一件重要的東西沒有提到，那就是自程序和中斷。這兩件東西是如此的重要，以至于你的程序幾乎不可能離開它們。
4.1 子程序
在高級語言中我們經(jīng)常要用到子程序。高級語言中，子程序是如此的神奇，我們能夠定義和主程序，或其他子程序一樣的變量名，而訪問不同的變量，并且，還不和程序的其他部分相沖突。
然而遺憾的是，這種“優(yōu)勢”在匯編語言中是不存在的。
匯編語言并不注重如何減輕程序員的負擔；相反，匯編語言依賴程序員的良好設計，以期發(fā)揮CPU的最佳性能。匯編語言不是結(jié)構(gòu)化的語言，因此，它不提供直接的“局部變量”。如果需要“局部變量”，只能通過堆或棧自行實現(xiàn)。
從這個意義上講，匯編語言的子程序更像GWBASIC中的GOSUB調(diào)用的那些“子程序”。所有的“變量”(本質(zhì)上，屬于進程的內(nèi)存和寄存器)為整個程序所共享，高級語言編譯器所做的，將局部變量放到堆或棧中的操作，只能自行實現(xiàn)。
參數(shù)的傳遞是靠寄存器和堆棧來完成的。高級語言中，子程序(函數(shù)、過程，或類似概念的東西)依賴于堆和棧來傳遞。
讓我們來簡單地分析一下一般高級語言的子程序的執(zhí)行過程。無論C、C++、BASIC、Pascal，這一部分基本都是一致的。
- 調(diào)用者將子程序執(zhí)行完成時應返回的地址、參數(shù)壓入堆棧
- 子程序使用BP指針+偏移量對棧中的參數(shù)尋址，并取出、完成操作
- 子程序使用RET或RETF指令返回。此時，CPU將IP置為堆棧中保存的地址，并繼續(xù)予以執(zhí)行
|
毋庸置疑，堆棧在整個過程中發(fā)揮著非常重要的作用。不過，本質(zhì)上對子程序最重要的還是返回地址。如果子程序不知道這個地址，那么系統(tǒng)將會崩潰。
調(diào)用子程序的指令是CALL，對應的返回指令是RET。此外，還有一組指令，即ENTER和LEAVE，它們可以幫助進行堆棧的維護。
CALL指令的參數(shù)是被調(diào)用子程序的地址。使用宏匯編的時候，這通常是一個標號。CALL和RET，以及ENTER和LEAVE配對，可以實現(xiàn)對于堆棧的自動操作，而不需要程序員進行PUSH/POP，以及跳轉(zhuǎn)的操作，從而提高了效率。
作為一個編譯器的實現(xiàn)實例，我用Visual C++編譯了一段C++程序代碼，這段匯編代碼是使用特定的編譯選項得到的結(jié)果，正常的RELEASE代碼會比它精簡得多。包含源代碼的部分反匯編結(jié)果如下(取自Visual C++調(diào)試器的運行結(jié)果，我刪除了10條int 3指令，并加上了一些注釋，除此之外，沒有做任何修改)：
1: int myTransform(int nInput){
00401000 push ebp?????????????????? ; 保護現(xiàn)場原先的EBP指針
00401001 mov ebp,esp
2: return (nInput*2 + 3) % 7;
00401003 mov eax,dword ptr [nInput] ; 取參數(shù)
00401006 lea eax,[eax+eax+3]??????? ; LEA比ADD加法更快
0040100A cdq??????????????????????? ; DWORD->QWORD(擴展字長)
0040100B mov ecx,7????????????????? ; 除數(shù)
00401010 idiv eax,ecx?????????????? ; 除
00401012 mov eax,edx??????????????? ; 商->eax(eax中保存返回值)
3: }
00401014 pop ebp??????????????????? ; 恢復現(xiàn)場的ebp指針
00401015 ret??????????????????????? ; 返回
; 此處刪除10條int 3指令，它們是方便調(diào)試用的，并不影響程序行為。
4:
5: int main(int argc, char* argv[])
6: {
00401020 push ebp?????????????????? ; 保護現(xiàn)場原先的EBP指針
00401021 mov ebp,esp
00401023 sub esp,10h??????????????? ; 為取argc, argv修正堆棧指針。
7:int a[3];
8:for(register int i=0; i<3; i++){
00401026 mov dword ptr [i],0??????? ; 0->i
0040102D jmp main+18h (00401038)??? ; 判斷循環(huán)條件
0040102F mov eax,dword ptr [i]????? ; i->eax
00401032 add eax,1????????????????? ; eax ++
00401035 mov dword ptr [i],eax????? ; eax->i
00401038 cmp dword ptr [i],3??????? ; 循環(huán)條件: i與3比較
0040103C jge main+33h (00401053)??? ; 如果不符合條件，則應結(jié)束循環(huán)
9: a[i] = myTransform(i);
0040103E mov ecx,dword ptr [i]????? ; i->ecx
00401041 push ecx?????????????????? ; ecx (i) -> 堆棧
00401042 call myTransform (00401000); 調(diào)用myTransform
00401047 add esp,4????????????????? ; esp+=4: 在堆中的新單元
??????????????????????????????????? ; 準備存放返回結(jié)果
0040104A mov edx,dword ptr [i]????? ; i->edx
0040104D mov dword ptr a[edx*4],eax ; 將eax(myTransform返回值)
??????????????????????????????????? ; 放回a[i]
10: }
00401051 jmp main+0Fh (0040102f)??? ; 計算i++，并繼續(xù)循環(huán)
11:return 0;
00401053 xor eax,eax??????????????? ; 返回值應該是0
12: }
00401055 mov esp,ebp??????????????? ; 恢復堆棧指針
00401057 pop ebp??????????????????? ; 恢復BP
00401058 ret??????????????????????? ; 返回調(diào)用者(C++運行環(huán)境) |
上述代碼確實做了一些無用功，當然，這是因為編譯器沒有對這段代碼進行優(yōu)化。讓我們來關(guān)注一下這段代碼中，是如何調(diào)用子程序的。不考慮myTransform這個函數(shù)實際進行的數(shù)值運算，最讓我感興趣的是這一行代碼：
| 00401003 mov eax,dword ptr [nInput] ; 取參數(shù) |
這里nInput是一個簡簡單單的變量符號嗎？Visual C++的調(diào)試器顯然不能告訴我們答案——它的設計目標是為了方便程序調(diào)試，而不是向你揭示編譯器生成的代碼的實際構(gòu)造。我用另外一個反匯編器得到的結(jié)果是：
| 00401003 mov eax,dword ptr [ebp+8] ? ; 取參數(shù) |
這和我們在main()中看到的壓棧順序是完全吻合的(注意，程序運行到這個地方的時候，EBP=ESP)。main()最終將i的值通過堆棧傳遞給了myTransform()。
剖析上面的程序只是說明了我前面所提到的子程序的一部分用法。對于匯編語言來說，完全沒有必要拘泥于結(jié)構(gòu)化程序設計的框架(在今天，使用匯編的主要目的在于提高執(zhí)行效率，而不是方便程序的維護和調(diào)試，因為匯編不可能在這一點上做得比C++更好)。考慮下面的程序：
void myTransform1(int nCount, char* sBytes){
? for(register int i=1; i<nCount; i++)
??? sBytes[i] += sBytes[i-1];
? for(i=0; i<nCount; i++)
??? sBytes[i] <<= 1;
}
void myTransform2(int nCount, char* sBytes){
? for(register int i=0; i<nCount; i++)
??? sBytes[i] <<= 1;
} |
很容易看出，這兩個函數(shù)包含了公共部分，即
? for(i=0; i<nCount; i++)
??? sBytes[i] <<= 1; |
目前，還沒有編譯器能夠做到將這兩部分合并。依然沿用剛才的編譯選項，得到的反匯編結(jié)果是(同樣地刪除了int 3)：
1:void myTransform1(int nCount, char* sBytes){
00401000 push ebp
00401001 mov ebp,esp
00401003 push ecx
2:for(register int i=1; i<nCount; i++)
00401004 mov dword ptr [i],1
0040100B jmp myTransform1+16h (00401016)
0040100D mov eax,dword ptr [i]
00401010 add eax,1
00401013 mov dword ptr [i],eax
00401016 mov ecx,dword ptr [i]
00401019 cmp ecx,dword ptr [nCount]
0040101C jge myTransform1+3Dh (0040103d)
3: sBytes[i] += sBytes[i-1];
0040101E mov edx,dword ptr [sBytes]
00401021 add edx,dword ptr [i]
00401024 movsx eax,byte ptr [edx-1]
00401028 mov ecx,dword ptr [sBytes]
0040102B add ecx,dword ptr [i]
0040102E movsx edx,byte ptr [ecx]
00401031 add edx,eax
00401033 mov eax,dword ptr [sBytes]
00401036 add eax,dword ptr [i]
00401039 mov byte ptr [eax],dl
0040103B jmp myTransform1+0Dh (0040100d)
4:for(i=0; i<nCount; i++)
0040103D mov dword ptr [i],0
00401044 jmp myTransform1+4Fh (0040104f)
00401046 mov ecx,dword ptr [i]
00401049 add ecx,1
0040104C mov dword ptr [i],ecx
0040104F mov edx,dword ptr [i]
00401052 cmp edx,dword ptr [nCount]
00401055 jge myTransform1+6Bh (0040106b)
5: sBytes[i] <<= 1;
00401057 mov eax,dword ptr [sBytes]
0040105A add eax,dword ptr [i]
0040105D mov cl,byte ptr [eax]
0040105F shl cl,1
00401061 mov edx,dword ptr [sBytes]
00401064 add edx,dword ptr [i]
00401067 mov byte ptr [edx],cl
00401069 jmp myTransform1+46h (00401046)
6: }
0040106B mov esp,ebp
0040106D pop ebp
0040106E ret
7:
8:void myTransform2(int nCount, char* sBytes){
00401070 push ebp
00401071 mov ebp,esp
00401073 push ecx
9:for(register int i=0; i<nCount; i++)
00401074 mov dword ptr [i],0
0040107B jmp myTransform2+16h (00401086)
0040107D mov eax,dword ptr [i]
00401080 add eax,1
00401083 mov dword ptr [i],eax
00401086 mov ecx,dword ptr [i]
00401089 cmp ecx,dword ptr [nCount]
0040108C jge myTransform2+32h (004010a2)
10: sBytes[i] <<= 1;
0040108E mov edx,dword ptr [sBytes]
00401091 add edx,dword ptr [i]
00401094 mov al,byte ptr [edx]
00401096 shl al,1
00401098 mov ecx,dword ptr [sBytes]
0040109B add ecx,dword ptr [i]
0040109E mov byte ptr [ecx],al
004010A0 jmp myTransform2+0Dh (0040107d)
11: }
004010A2 mov esp,ebp
004010A4 pop ebp
004010A5 ret
12:
13:int main(int argc, char* argv[])
14: {
004010B0 push ebp
004010B1 mov ebp,esp
004010B3 sub esp,0CCh
15:char a[200];
16:for(register int i=0; i<200; i++)a[i]=i;
004010B9 mov dword ptr [i],0
004010C3 jmp main+24h (004010d4)
004010C5 mov eax,dword ptr [i]
004010CB add eax,1
004010CE mov dword ptr [i],eax
004010D4 cmp dword ptr [i],0C8h
004010DE jge main+45h (004010f5)
004010E0 mov ecx,dword ptr [i]
004010E6 mov dl,byte ptr [i]
004010EC mov byte ptr a[ecx],dl
004010F3 jmp main+15h (004010c5)
17: myTransform1(200, a);
004010F5 lea eax,[a]
004010FB push eax
004010FC push 0C8h
00401101 call myTransform1 (00401000)
00401106 add esp,8
18: myTransform2(200, a);
00401109 lea ecx,[a]
0040110F push ecx
00401110 push 0C8h
00401115 call myTransform2 (00401070)
0040111A add esp,8
19:return 0;
0040111D xor eax,eax
20: }
0040111F mov esp,ebp
00401121 pop ebp
00401122 ret |
非常明顯地，0040103d-0040106e和00401074-004010a5這兩段代碼存在少量的差別，但很顯然只是對寄存器的偏好不同(編譯器在優(yōu)化時，這可能會減少堆棧操作，從而提高性能，但在這里只是使用了不同的寄存器而已)
對代碼進行合并的好處是非常明顯的。新的操作系統(tǒng)往往使用頁式內(nèi)存管理。當內(nèi)存不足時，程序往往會頻繁引發(fā)頁面失效(Page faults)，從而引發(fā)操作系統(tǒng)從磁盤中讀取一些東西。磁盤的速度趕不上內(nèi)存的速度，因此，這一行為將導致性能的下降。通過合并一部分代碼，可以減少程序的大小，這意味著減少頁面失效的可能性，從而軟件的性能會有所提高?/p>
當然，這樣做的代價也不算低——你的程序?qū)⒆兊秒y懂，并且難于維護。因此，再進行這樣的優(yōu)化之前，一定要注意：
- 優(yōu)化前的程序必須是正確的。如果你不能確保這一點，那么這種優(yōu)化必將給你的調(diào)試帶來極大的麻煩。
- 優(yōu)化前的程序?qū)崿F(xiàn)最好是最優(yōu)的。仔細檢查你的設計，看看是否已經(jīng)使用了最合適(即，對于此程序而言最優(yōu))的算法，并且已經(jīng)在高級語言許可的范圍內(nèi)進行了最好的實現(xiàn)。
- 優(yōu)化最好能夠非常有效地減少程序大小(例如，如果只是減少十幾個字節(jié)，恐怕就沒什么必要了)，或非常有效地提高程序的運行速度(如果代碼只是運行一次，并且只是節(jié)省幾個時鐘周期，那么在多數(shù)場合都沒有意義)。否則，這種優(yōu)化將得不償失。
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4.2 中斷
中斷應該說是一個陳舊的話題。在新的系統(tǒng)中，它的作用正在逐漸被削弱，而變成操作系統(tǒng)專用的東西。并不是所有的計算機系統(tǒng)都提供中斷，然而在x86系統(tǒng)中，它的作用是不可替代的。
中斷實際上是一類特殊的子程序。它通常由系統(tǒng)調(diào)用，以響應突發(fā)事件。
例如，進行磁盤操作時，為了提高性能，可能會使用DMA方式進行操作。CPU向DMA控制器發(fā)出指令，要求外設和內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)，而不通過CPU。然后，CPU轉(zhuǎn)去進行起他的操作；當數(shù)據(jù)交換結(jié)束時，CPU可能需要進行一些后續(xù)操作，但此時它如何才能知道DMA已經(jīng)完成了操作呢？
很顯然不是依靠CPU去查詢狀態(tài)——這樣DMA的優(yōu)勢就不明顯了。為了盡可能地利用DMA的優(yōu)勢，在完成DMA操作的時候，DMA會告訴CPU“這事兒我辦完了”，然后CPU會根據(jù)需要進行處理。
這種處理可能很復雜，需要若干條指令來完成。子程序是一個不錯的主意，不過，CALL指令需要指定地址，讓外設強迫CPU執(zhí)行一條CALL指令也違背了CPU作為核心控制單元的設計初衷。考慮到這些，在x86系統(tǒng)中引入了中斷向量的概念。
中斷向量表是保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)(實模式下，是0:0開始的一段區(qū)域)的一組指針。這組指針指向每一個中斷服務程序的地址。整個中斷向量表的結(jié)構(gòu)是一個線性表。
每一個中斷服務有自己的唯一的編號，我們通常稱之為中斷號。每一個中斷號對應中斷向量表中的一項，也就是一個中斷向量。外設向CPU發(fā)出中斷請求，而CPU自己將根據(jù)當前的程序狀態(tài)決定是否中斷當前程序并調(diào)用相應的中斷服務。
不難根據(jù)造成中斷的原因?qū)⒅袛喾譃閮深悾河布袛嗪蛙浖袛唷Ｓ布袛嘤泻芏喾诸惙椒ǎ绺鶕?jù)是否可以屏蔽分類、根據(jù)優(yōu)先級高低分類，等等。考慮到這些分類并不一定科學，并且對于我們介紹中斷的使用沒有太大的幫助，因此我并不打算太詳細地介紹它(在本教程的高級篇中，關(guān)于加密解密的部分會提到某些硬件中斷的利用，但那是后話)。
在設計操作系統(tǒng)時，中斷向量的概念曾經(jīng)帶來過很大的便利。操作系統(tǒng)隨時可能升級，這樣，通過CALL來調(diào)用操作系統(tǒng)的服務(如果說每個程序都包含對于文件系統(tǒng)、進程表這些應該由操作系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)的直接操作的話，不僅會造成程序的臃腫，而且不利于系統(tǒng)的安全)就顯得不太合適了——沒人能知道，以后的操作系統(tǒng)的服務程序入口點會不會是那兒。軟件中斷的存在為解決這個問題提供了方便。
對于一臺包含了BIOS的計算機來說，啟動的時候系統(tǒng)已經(jīng)提供了一部分服務，例如顯示服務。無論你的BIOS、顯示卡有多么的“個性”，只要他們和IBM PC兼容，那么此時你肯定可以通過調(diào)用16(10h)號中斷來使用顯示服務。調(diào)用中斷的指令是
這將引發(fā)CPU去調(diào)用一個中斷。CPU將保存當前的程序狀態(tài)字，清除Trap和Interrupt兩個標志，將即將執(zhí)行的指令地址壓入堆棧，并調(diào)用中斷服務(根據(jù)中斷向量表)。
編寫中斷服務程序不是一件容易的事情。很多時候，中斷服務程序必須寫成可重入代碼(或純代碼，pure code)。所謂可重入代碼是指，程序的運行過程中可以被打斷，并由開始處再次執(zhí)行，并且在合理的范圍內(nèi)(多次重入，而不造成堆棧溢出等其他問題)，程序可以在被打斷處繼續(xù)執(zhí)行，并且執(zhí)行結(jié)果不受影響。
由于在多線程環(huán)境中等其他一些地方進行程序設計時也需要考慮這個因素，因此這里著重講一下可重入代碼的編寫。
可重入代碼最主要的要求就是，程序不應使用某個指定的內(nèi)存地址的內(nèi)存(對于高級語言來說，這通常是全局變量，或?qū)ο蟮某蓡T)。如果可能的話，應使用寄存器，或其他方式來解決。如果不能做到這一點，則必須在開始、結(jié)束的時候分別禁止和啟用中斷，并且，運行時間不能太長。
下面用C語言分別舉一個可重入函數(shù)，和兩個非可重入函數(shù)的例子(注. 這些例子應該是在某本多線程或操作系統(tǒng)的書上看到的，遺憾的是我想不起來是哪本書了，在這里先感謝那位作者提供的范例)：
可重入函數(shù)：
void strcpy(char* lpszDest, char* lpszSrc){
? while(*dest++=*src++);
? *dest=0;
} |
非可重入函數(shù)
char cTemp;???????????????? ????????????????? // 全局變量
void SwapChar(char* lpcX, char* lpcY){
? cTemp = *lpcX; *lpcX = *lpcY; lpcY = cTemp; // 引用了全局變量，在分享內(nèi)存的多個線程中可能造成問題
} |
非可重入函數(shù)
void SwapChar2(char* lpcX, char* lpcY){
? static char cTemp;???????????????? ???????? // 靜態(tài)變量
? cTemp = *lpcX; *lpcX = *lpcY; lpcY = cTemp; // 引用了靜態(tài)變量，在分享內(nèi)存的多個線程中可能造成問題
} |
中斷利用的是系統(tǒng)的棧。棧操作是可重入的(因為棧可以保證“先進后出”)，因此，我們并不需要考慮棧操作的重入問題。使用宏匯編器寫出可重入的匯編代碼需要注意一些問題。簡單地說，干脆不要用標號作為變量是一個不錯的主意。
使用高級語言編寫可重入程序相對來講輕松一些。把持住不訪問那些全局(或當前對象的)變量，不使用靜態(tài)局部變量，堅持只適用局部變量，寫出的程序就將是可重入的。
書歸正傳，調(diào)用軟件中斷時，通常都是通過寄存器傳進、傳出參數(shù)。這意味著你的int指令周圍也許會存在一些“幫手”，比如下面的代碼：
就是通過調(diào)用DOS中斷服務返回父進程，并帶回錯誤反饋碼0。其中，ax中的數(shù)據(jù)4c00h就是傳遞給DOS中斷服務的參數(shù)。
到這里，x86匯編語言的基礎部分就基本上講完了，《簡明x86匯編語言教程》的初級篇——匯編語言基礎也就到此告一段落。當然，目前為止，我只是蜻蜓點水一般提到了一些學習x86匯編語言中我認為需要注意的重要概念。許多東西，包括全部匯編語句的時序特性(指令執(zhí)行周期數(shù)，以及指令周期中各個階段的節(jié)拍數(shù)等)、功能、參數(shù)等等，限于個人水平和篇幅我都沒有作詳細介紹。如果您對這些內(nèi)容感興趣，請參考Intel和AMD兩大CPU供應商網(wǎng)站上提供的開發(fā)人員參考。
在以后的簡明x86匯編語言教程中級篇和高級篇中，我將著重介紹匯編語言的調(diào)試技術(shù)、優(yōu)化，以及一些具體的應用技巧，包括反跟蹤、反反跟蹤、加密解密、病毒與反病毒等等。