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程序的机器级表示

基础​

机器语言​
  • 机器语言只是一个字节序列 (一系列指令的编码)；
  • 对产生该指令序列的源代码一无所知；
// c 语言
long mult2(long, long);
void multstore(long x, long y, long *dest) {
long t = mult2(x, y);
*dest = t;
}

// 汇编语言
multstore:
pushq   %rbx
movq    %rdx, %rbx
call    mult2
movq    %rax, (%rbx)
popq    %rbx
ret

// 机器语言
53 48 89 d3 e8 00 00 00 00 48 89 03 5b c3
反汇编器​
  • 将机器语言转换为类似汇编语言的格式；
通用目的寄存器​
  • 一个 CPU 包含一组 16 个存储 64 位值的通用目的寄存器；
  • 存储整数数据和指针；
指令​
  • 指定寄存器的行为；
    • 数据传输指令；
    • 入栈/出栈指令；
    • 加载指令；
    • 算术运算指令；
    • 跳转指令；

控制​

条件码寄存器​
  • 保存算术运算和逻辑操作信息；
  • 执行条件分支指令；
跳转指令​
  • 跳转到程序的其他部分；
使用条件控制实现条件分支​
  • 使用条件控制实现条件分支；
    • 使用条件码和跳转指令；
  • 条件满足跳转到某一部分，反之跳转到另一部分；
t = test-expr;
if Ct)
goto true;
else-statement
goto done;
true :
then-statement
done :
使用条件传送实现条件分支​
  • 通过数据的条件传送实现条件分支；
    • 使用条件传送指令；
  • 同时计算一个条件操作的两种结果；
  • 根据条件是否满足，使用条件传送指令返回不用的对应结果；
CPU 条件预测​
  • CPU 遇到条件跳转后，预先猜测会执行的分支并执行；
    • 确保 CPU 指令流水线充满指令，以提高性能；
  • 若猜测错误就丢弃执行的分支并重新执行正确分支；
    • 猜测错误具有很高的乘法；
  • 使用条件传送实现条件分支性能高于条件控制；
    • 条件传送不依赖于数据，使用条件传送指令，不使用跳转指令；
    • CPU 无需预测就可以执行；
    • 确保 CPU 流水线是满的；
v = then-expr;
ve = else-expr;
t = test-expr;
if (!t) v = ve;
循环语句​
  • 将循环转换为条件分支；
// do while
loop:
body-statement
t = test-expr;
if (t)
goto loop;

// while
t = test-expr;
if (! t)
goto done;
loop:
body-statement
t = test-expr;
if (t)
goto loop;
done:

// for
init-expr;
t = test-expr;
if (! t)
goto done;
loop :
body-statement
update-expr;
t = test-expr;
if (t)
goto loop;
done:
switch 语句​
  • 使用跳转表数据结构：代码段地址构成的哈希表；
  • 将 switch 转换为跳转表 + 条件分支；

过程​

基础​

过程​
  • 一种代码封装方式；
  • 用一组参数和可选的返回值实现某种功能；
  • 即编程中的函数；
动作​
  • 过程 P 调用 Q；
  • Q 执行后返回 P；

运行时栈​

运行时栈​
  • 基于栈后进先出的机制，实现过程调用机制；
  • P 调用 Q 时，对应信息压入栈；
  • 返回 P 时，对应信息弹出栈；
栈帧​
  • 过程需要的存储空间超出寄存器存储的大小时，将会在运行时栈分配空间；
  • 该过程在运行时栈上的占用空间称为栈帧；
  • 当前执行的过程的帧总是在运行时栈顶；
栈帧的适用场景​
  • 过程对应数据首先存储在寄存器中；
  • 出现以下情况分配栈帧；
    • 寄存器不足够存放所有数据；
    • 局部变量使用地址运算符；
    • 局部变量为数组或结构；

递归过程​

  1. 存储当前过程结果值至栈顶;
  2. 调用递归函数, 添加对应信息值栈顶;
    1. 若递归完成, 依次释放栈顶空间;
    2. 若递归未完成, 跳转至 1;

数组分配和访问​

一维数组​

  • 使用两个寄存器分别存储数组的起始地址和偏移量；

多维数组​

  • 计算偏移量；
    • 对于一个 m*n 的数组
    • D[i][j]=x+L(n*i+j)；
    • L 为数组元素类型；
  • 使用两个寄存器分别存储数组的起始地址和偏移量；

定长数组​

  • 编译时确定数组维度；

变长数组​

  • 运行时确定数组维度；

异构的数据结构​

结构​

  • 不同类型对象聚合到一个对象中；
  • 编译器维护结构第一个字节的地址和每个字段的偏移；

联合​

  • 一个对象使用多种类型之一；
  • 联合的大小为其最大字段的大小；

数据对齐​

  • 类型对象的地址必须是 K (2，4，8) 的倍数；
  • 用于提高内存访问的性能；
  • 实际应用；
    • 结构中使用数据对齐；

数据对齐

指针​

指针​

  • 指针对应一个类型；
  • 指针对应一个类型的内存地址；

内存越界引用和缓冲区溢出​

内存越界引用​
  • 访问不属于对应类型的内存地址，常见于数组越界；
缓冲区溢出​
  • 栈分配一定空间给某类型；
  • 类型实际使用空间超过分配空间；
  • 常见于字符串；

对抗缓冲区溢出攻击​

  • 栈随机化：栈地址在程序每次运行发生变化；
  • 栈破坏检测；
    • 栈帧中的缓冲区和栈状态之间存储一个随机产生的特殊值 (金丝雀值)；
    • 通过检测金丝雀值是否发生变化检测；
  • 限制可执行代码区域；
    • 虚拟内存空间逻辑上分成 "页"；
    • 限制程序可以访问的页；

变长栈帧​

  • 寄存器存储 "帧指针" 用于存储需要分配的内存空间；

浮点代码​

任务​
  • 如何存储和访问浮点值；
  • 浮点值指令；
  • 函数传递浮点数参数和返回浮点数结果；
  • 函数调用过程中寄存器的行为；
指令集​
  • SSE；
  • AVX；
寄存器​
  • XMM 寄存器：256 位；
  • YMM 寄存器：128 位；