編程之道

4.0 利用子程序與中斷

已經掌握了匯編語言？沒錯，你現在已經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，以期發揮CPU的最佳性能。匯編語言不是結構化的語言，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。

從這個意義上講，匯編語言的子程序更像GWBASIC中的GOSUB調用的那些“子程序”。所有的“變量”(本質上，屬于進程的內存和寄存器)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。

參數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、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行過程。無論C、C++、BASIC、Pascal，這一部分基本都是一致的。

毋庸置疑，堆棧在整個過程中發揮著非常重要的作用。不過，本質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，那么系統將會崩潰。

調用子程序的指令是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指令的參數是被調用子程序的地址。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，可以實現對于堆棧的自動操作，而不需要程序員進行PUSH/POP，以及跳轉的操作，從而提高了效率。

作為一個編譯器的實現實例，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果如下(取自Visual C++調試器的運行結果，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)：

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化。讓我們來關注一下這段代碼中，是如何調用子程序的。不考慮myTransform這個函數實際進行的數值運算，最讓我感興趣的是這一行代碼：

這里nInput是一個簡簡單單的變量符號嗎？Visual C++的調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試，而不是向你揭示編譯器生成的代碼的實際構造。我用另外一個反匯編器得到的結果是：

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構化程序設計的框架(在今天，使用匯編的主要目的在于提高執行效率，而不是方便程序的維護和調試，因為匯編不可能在這一點上做得比C++更好)?？紤]下面的程序：

很容易看出，這兩個函數包含了公共部分，即

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，得到的反匯編結果是(同樣地刪除了int 3)：

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。新的操作系統往往使用頁式內存管理。當內存不足時，程序往往會頻繁引發頁面失效(Page faults)，從而引發操作系統從磁盤中讀取一些東西。磁盤的速度趕不上內存的速度，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——你的程序將變得難懂，并且難于維護。因此，再進行這樣的優化之前，一定要注意：

4.2 中斷

中斷應該說是一個陳舊的話題。在新的系統中，它的作用正在逐漸被削弱，而變成操作系統專用的東西。并不是所有的計算機系統都提供中斷，然而在x86系統中，它的作用是不可替代的。

中斷實際上是一類特殊的子程序。它通常由系統調用，以響應突發事件。

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控制器發出指令，要求外設和內存直接交換數據，而不通過CPU。然后，CPU轉去進行起他的操作；當數據交換結束時，CPU可能需要進行一些后續操作，但此時它如何才能知道DMA已經完成了操作呢？

很顯然不是依靠CPU去查詢狀態——這樣DMA的優勢就不明顯了。為了盡可能地利用DMA的優勢，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執行一條CALL指令也違背了CPU作為核心控制單元的設計初衷?？紤]到這些，在x86系統中引入了中斷向量的概念。

中斷向量表是保存在系統數據區(實模式下，是0:0開始的一段區域)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構是一個線性表。

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發出中斷請求，而CPU自己將根據當前的程序狀態決定是否中斷當前程序并調用相應的中斷服務。

不難根據造成中斷的原因將中斷分為兩類：硬件中斷和軟件中斷。硬件中斷有很多分類方法，如根據是否可以屏蔽分類、根據優先級高低分類，等等?？紤]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)。

在設計操作系統時，中斷向量的概念曾經帶來過很大的便利。操作系統隨時可能升級，這樣，通過CALL來調用操作系統的服務(如果說每個程序都包含對于文件系統、進程表這些應該由操作系統管理的數據的直接操作的話，不僅會造成程序的臃腫，而且不利于系統的安全)就顯得不太合適了——沒人能知道，以后的操作系統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，啟動的時候系統已經提供了一部分服務，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用16(10h)號中斷來使用顯示服務。調用中斷的指令是

這將引發CPU去調用一個中斷。CPU將保存當前的程序狀態字，清除Trap和Interrupt兩個標志，將即將執行的指令地址壓入堆棧，并調用中斷服務(根據中斷向量表)。

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，并由開始處再次執行，并且在合理的范圍內(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執行，并且執行結果不受影響。

由于在多線程環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存地址的內存(對于高級語言來說，這通常是全局變量，或對象的成員)。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，和兩個非可重入函數的例子(注. 這些例子應該是在某本多線程或操作系統的書上看到的，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：

非可重入函數

非可重入函數

中斷利用的是系統的棧。棧操作是可重入的(因為?？梢员ＷC“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，調用軟件中斷時，通常都是通過寄存器傳進、傳出參數。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中的數據4c00h就是傳遞給DOS中斷服務的參數。

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(指令執行周期數，以及指令周期中各個階段的節拍數等)、功能、參數等等，限于個人水平和篇幅我都沒有作詳細介紹。如果您對這些內容感興趣，請參考Intel和AMD兩大CPU供應商網站上提供的開發人員參考。

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試技術、優化，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。