为什么像Windows和Linux这样的汇编语言有差异？

Question

我对低级语言和汇编语言等方面还比较陌生，想要了解更多细节。为什么Linux和Windows的汇编语言有差异？

据我所知，当我编译C代码时，操作系统实际上并不会生成纯机器码或汇编代码，而是生成依赖于操作系统的二进制代码。但为什么呢？

举例来说，当我使用x86系统时，CPU只能理解x86汇编语言，对吗？那么为什么我们不编写纯x86汇编代码，为什么会有基于操作系统的不同汇编变体？如果我们编写纯汇编代码或操作系统生成纯汇编代码，那么操作系统之间就不会存在二进制兼容性问题，对吗？

我真的很想知道这些背后的原因。任何详细的答案、文章或书籍都会很棒。谢谢。

- caltuntas

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唯一的区别在于：您使用的方法取决于操作系统。例如：C语言中的printf()函数之所以会产生不同的结果，是因为每个操作系统处理方式不同。 - Erhard Dinhobl

Answer 1

没有区别。如果处理器相同，汇编代码也是相同的。在Windows上编译的x86代码与Linux上的x86代码可以二进制兼容。编译器不会产生依赖于操作系统的二进制代码，但它可能会将代码打包成不同的格式（例如PE vs. ELF）。

区别在于使用哪些库。要使用操作系统的功能（例如I/O），必须链接操作系统的库。毫不奇怪，Windows系统库在Linux机器上不可用（除非您安装了Wine），反之亦然。

- OrangeDog

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为什么会有不同的汇编语言，如Windows Asm、Linux Asm、Dos Asm？ - caltuntas

基本上，没有区别。区别在于资源的使用方式（基本上是操作系统调用），而不在指令集中。 - Piskvor left the building

@mcaaltuntas：没有所谓的“Linux汇编”或“Windows汇编”，只有x86汇编、x86_64汇编、MIPS汇编、m68k汇编等。 - Michael Lowman

@mcaaltuntas：二进制代码没有区别，操作码是相同的。不同之处在于助记符形式的语法，即mov %eax,%ebx（AT＆T）和mov ebx，eax（Intel）具有相同的二进制形式。 - BlackBear

从理论上讲，编写一些汇编代码作为可执行文件是可能的（例如仅执行一些非常基本的系统功能），并且可以在Windows、Mac和Linux上同样运行（不考虑任何系统库）吗？ - B''H Bi'ezras -- Boruch Hashem

@bluejayke 所谓的“一些非常基本的系统函数”取决于系统库，甚至包括 exit()。如果你想要与操作系统无关的汇编语言，则需要直接引导它，绕过任何操作系统。 - OrangeDog

Answer 2

你不能直接运行纯汇编代码。代码必须以某种可执行格式存在：Windows使用PE格式，大多数Unix现在使用ELF格式（尽管也有其他格式，例如a.out）。

基本的汇编指令是相同的，并且你使用它们创建的函数也是相同的。

问题在于访问其他资源。处理器非常擅长计算，但无法访问硬盘、向屏幕打印字符或连接到蓝牙手机。这些元素总是以某种操作系统相关方式存在。它们通过系统调用来实现，其中处理器向操作系统发出信号执行某个任务。在Linux上的任务17不一定在Windows上是任务17；它们甚至可能没有等价物。

由于大多数库在其最低层级别上都有一些系统调用，所以在大多数情况下代码不能只是重新编译。

- Michael Lowman

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+1 我相信这是其中一个主要原因：不同的可执行文件格式。 - karlphillip

Answer 3

除了其他答案外。

操作系统决定其应用程序二进制接口（ABI），其中包括可执行对象的格式。这些格式为Linux（以及许多其他类Unix系统）的可执行和可链接格式（ELF），以及Windows上的便携式可执行文件（PE）。请参见此表以获取其他格式。

- Nikolai Fetissov

Answer 4

除非您使用嵌入式系统开发环境，否则您将使用针对特定运行时的编译器进行编译。该运行时定义了硬件使用的约定：参数传递、异常处理等。这些约定与操作系统交互，或者至少与程序需要链接的可用运行时库交互。

- bmargulies

Answer 5

历史上，Linux汇编通常使用AT&T语法，因为这是GNU Assembler支持的语法。同样，Windows汇编器倾向于使用Intel语法，例如MASM和NASM。

所有x86汇编器都会产生相同的输出--即x86机器码。您可以在Linux上使用NASM或GNU汇编器以Intel语法进行编程，并在Windows上使用GNU汇编器以AT&T语法进行编程。

- Tim Robinson

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GNU 工具（包括 gdb）在当前版本中支持 at&t 和 intel 语法。我通常设置为 intel 语法；这可以使一些事情更容易，特别是同时使用 Ida Pro 等工具时。 - Michael Lowman

Answer 6

汇编语言与操作系统无关，而是与CPU架构相关。但操作系统中有一系列已经编译成二进制的系统功能，你可以通过中断调用来调用这些功能，例如标准输入输出，运算等。

- Domii E Antoo

Answer 7

操作系统决定两件事情：(1) 调用约定，它定义了参数如何进入堆栈，从而影响汇编代码；(2) 运行时库实现了常见函数，如内存分配、输入/输出、高级数学等。

因此，尽管在x86处理器上，x+y 在Windows或Linux下编译成相同的汇编代码，但由于不同的调用约定和不同的数学库，y = sin(x) 将是不同的。

除此之外，汇编语言本身也依赖于处理器。x86、x86_64、ARM、PowerPC，每种处理器都有自己的汇编语言。

- mtrw

Answer 8

汇编语言在 x86 架构下没有区别（尽管汇编器之间可能存在差异，因此使用的符号不同）。Linux 和 Microsoft Windows 都可以运行在其他架构上，但 Linux 更加通用。

然而，现代操作系统不只是将程序加载到内存中并运行。它提供了大量服务，并保护程序之间互相干扰。如果需要进行除基本计算以外的操作，通常必须通过操作系统来完成。（这在旧的操作系统（如 MS-DOS 和 CP/M）中不太适用，因为它们可以加载独立运行的程序，但现代非嵌入式系统几乎都有现代操作系统。）

程序也不是以纯二进制块的形式存储的。通常需要与其他库进行链接，通常是在程序被加载执行时进行（例如 DLL 的工作方式），并且必须与操作系统进行链接。操作系统可能需要其他信息，因此可执行文件中必须包含关于二进制块的某些信息。这在不同的操作系统之间会有所不同。

因此，可执行文件必须以一种格式加载到内存中，这在不同的操作系统中有所不同。为了执行任何有用的操作，它们必须进行操作系统调用，这在不同的系统之间是不同的。这就是为什么你不能将Windows可执行文件和相关库在Linux上运行的原因。

- David Thornley

Answer 9

存在一些适用于各种平台的汇编器，可以根据源文件直接生成可在特定地址加载的输出二进制文件。这样的汇编器在一些小型微控制器或历史处理器（如6502和Z80）中很流行。在汇编程序时，需要知道它预期存储的地址；更改地址将要求重新进行汇编。另一方面，在这样的系统中进行汇编是一个单步过程。运行汇编器并获得可执行输出。在某些情况下，源代码、汇编器和输出都可以同时保存在内存中（在我的Commodore 64上，我使用了一款像这样工作的由Compute's Gazette杂志发表的汇编器）。

尽管每次地址更改时重新组装所有内容可能对于一个将“接管机器”的程序是实用的，但在许多情况下，使用多步骤过程更为理想，其中源文件被处理成包含已汇编指令以及各种“符号”信息的目标代码文件；然后以各种方式处理这些文件，以产生可直接加载到内存中的内存映像，或者是可重定位的对象文件，操作系统的加载器将知道如何调整它所加载到的任何地址。

为了使目标链接系统有用，必须允许推迟某些类型的地址计算，直到程序被链接或加载。一些系统只允许在链接/加载时执行极其简单的计算，而其他系统则允许进行更复杂的计算。当可行时，较简单的方案可能更有效率，但它们的限制可能会强制采取变通措施。例如，将使用BX循环遍历小于256字节的数据结构的例程可能会写成以下形式：

    mov bx,StartAddr

lp: mov al,[bx] ... 进行一些计算 inc bx cmp bl,<(StartAddr+Length) ; < 前缀操作符表示“最低有效位” jnz lp

使用 cmp bx,(StartAddr+Length) 是可行的，但如果编译工具支持它，仅比较低字节会更快。另一方面，一些16位汇编/链接工具可能要求在代码中存储16位地址来完成所有地址修复。

因为不同的系统在其目标代码格式中允许不同的特性，所以需要不同的汇编语言特性来控制它们。指令集可能由芯片制造商指定，但用于表达可重定位地址计算的特性通常不是。

- supercat