在64位Linux和64位处理器上运行32位汇编代码：解释异常情况

Question

在64位Linux和64位处理器上运行32位汇编代码：解释异常情况

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我遇到了一个有趣的问题。我忘记了我正在使用64位机器和操作系统，并编写了32位汇编代码。我不知道如何编写64位代码。

这是适用于Linux的Gnu Assembler（AT&T语法）的x86 32位汇编代码。

//hello.S
#include <asm/unistd.h>
#include <syscall.h>
#define STDOUT 1

.data
hellostr:
    .ascii "hello wolrd\n";
helloend:

.text
.globl _start

_start:
    movl $(SYS_write) , %eax  //ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
    movl $(STDOUT) , %ebx
    movl $hellostr , %ecx
    movl $(helloend-hellostr) , %edx
    int $0x80

    movl $(SYS_exit), %eax //void _exit(int status);
    xorl %ebx, %ebx
    int $0x80

    ret

现在，这段代码应该可以在32位处理器和32位操作系统上运行，对吧？我们知道64位处理器向下兼容32位处理器，所以也不应该有问题。问题出在64位操作系统和32位操作系统的系统调用和调用机制上的差异。我不知道为什么，但是他们在32位Linux和64位Linux之间改变了系统调用号码。

asm/unistd_32.h定义了：

#define __NR_write        4
#define __NR_exit         1

asm/unistd_64.h 定义：

#define __NR_write              1
#define __NR_exit               60

无论如何，使用宏代替直接数字是值得的。它确保正确的系统调用号码。

当我汇编、链接和运行程序时。

$cpp hello.S hello.s //pre-processor
$as hello.s -o hello.o //assemble
$ld hello.o // linker : converting relocatable to executable

它无法打印出helloworld。

在gdb中，它显示：

程序以01代码退出。

我不知道如何在gdb中调试。使用教程我尝试逐步执行指令并检查每个步骤的寄存器。它总是显示“程序以01代码退出”。如果有人能够向我展示如何调试这个问题，那将是非常好的。

(gdb) break _start
Note: breakpoint -10 also set at pc 0x4000b0.
Breakpoint 8 at 0x4000b0
(gdb) start
Function "main" not defined.
Make breakpoint pending on future shared library load? (y or [n]) y
Temporary breakpoint 9 (main) pending.
Starting program: /home/claws/helloworld 

Program exited with code 01.
(gdb) info breakpoints 
Num     Type           Disp Enb Address            What
8       breakpoint     keep y   0x00000000004000b0 <_start>
9       breakpoint     del  y   <PENDING>          main

我尝试运行strace，以下是它的输出：

execve("./helloworld", ["./helloworld"], [/* 39 vars */]) = 0
write(0, NULL, 12 <unfinished ... exit status 1>

请解释strace输出中write(0, NULL, 12)系统调用的参数是什么?
发生了什么事情？我想知道为什么它以exitstatus=1的状态退出？
有人能向我展示如何使用gdb调试此程序吗？
他们为什么要更改系统调用号码？
请适当修改此程序，使其可以在此机器上正确运行。

编辑：

阅读Paul R的答案后，我检查了我的文件

claws@claws-desktop:~$ file ./hello.o 
./hello.o: ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped

claws@claws-desktop:~$ file ./hello
./hello: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), statically linked, not stripped

我同意他的观点，这些应该是ELF 32位可重定位和可执行文件。但是这并没有回答我的问题。我的所有问题仍然存在。在这种情况下到底发生了什么？有人能回答我的问题并提供这段代码的x86-64版本吗？

- claws

3个回答

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如Paul所指出的，如果您想在64位系统上构建32位二进制文件，则需要使用-m32标志。由于某些64位Linux发行版默认不包括32位编译器/链接器/库支持，因此该标志可能在您的安装中不可用。

另一方面，您可以将代码构建为64位，此时需要使用64位调用约定。在这种情况下，系统调用号放在%rax中，而参数放在%rdi、%rsi和%rdx中。编辑我发现最好的地方是www.x86-64.org，具体来说是abi.pdf。

- Chris Dodd

谢谢提到64位约定。我正在拼命寻找它。我想了解更多关于64位约定的信息。你能给我一些链接吗？（最好是官方链接）。 - claws

1

64位的CPU可以运行32位的代码，但必须使用特殊模式来实现。这些指令在64位模式下都是有效的，因此您可以构建一个64位可执行文件。使用“gcc -m32 -nostdlib hello.S”编译和运行您的代码是正确的。这是因为“-m32”定义了“__i386”，所以“/usr/include/asm/unistd.h”包括“”，其中包含适用于“int $0x80” ABI的正确常量。有关libc和静态与动态可执行文件的_start vs. main的更多信息，请参见在64位系统上汇编32位二进制文件（GNU工具链）。

$ file a.out 
a.out: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), statically linked, BuildID[sha1]=973fd6a0b7fa15b2d95420c7a96e454641c31b24, not stripped

$ strace ./a.out  > /dev/null
execve("./a.out", ["./a.out"], 0x7ffd43582110 /* 64 vars */) = 0
strace: [ Process PID=2773 runs in 32 bit mode. ]
write(1, "hello wolrd\n", 12)           = 12
exit(0)                                 = ?
+++ exited with 0 +++

从技术上讲，如果您使用正确的调用号码，则您的代码也可以在64位模式下工作：如果在64位代码中使用32位int 0x80 Linux ABI会发生什么？但是，在64位代码中不推荐使用int 0x80。（实际上，从来没有推荐过）为了提高效率，32位代码应通过内核导出的VDSO页面调用，以便在支持它的CPU上使用sysenter进行快速系统调用。

“但这并没有回答我的问题。在这种情况下到底发生了什么？”

“好问题。”

“在Linux上，无论调用进程处于什么模式下，使用eax=1的int $0x80都是sys_exit(ebx)。虽然32位ABI在64位模式下可用（除非你的内核没有编译i386 ABI支持），但不要使用它。你的退出状态来自movl $(STDOUT)，%ebx。（顺便说一句，在unistd.h中定义了一个STDOUT_FILENO宏，但由于它还包含无效的asm语法的C原型，因此无法从.S文件中包含它）。”

请注意，unistd_32.h中的__NR_exit和unistd_64.h中的__NR_write都是1，因此您的第一个int $0x80退出了进程。您正在调用错误的ABI系统调用号码。

strace以64位进程预期使用的ABI调用约定解码错误，就像您已经调用了syscall一样。UNIX和Linux x86-64系统调用的调用约定是什么

eax=1 / syscall表示write(rd=edi, buf=rsi, len=rdx)，这就是strace错误解码int $0x80的方式。

_start入口时rdi和rsi为0（又名NULL），您的代码使用movl $(helloend-hellostr) , %edx将rdx设置为12。

Linux在execve之后会将新进程中的寄存器初始化为零。(ABI规定为未定义，Linux选择零以避免信息泄漏)。在静态链接可执行文件中，_start是第一个运行的用户空间代码。(在动态可执行文件中，动态链接器在_start之前运行，并且会在寄存器中留下垃圾)。

另请参见x86标签wiki，了解更多汇编链接。

- Peter Cordes

很好的回答，您能解释一下在excve之后不将寄存器设置为0的影响吗？那会有什么危害？ - Trey

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@Trey：内核不想将任何内核数据泄露给不受信任的用户空间进程。Linux是一个多用户操作系统，它会注意隔离用户之间的关系，而且无法预测某些敏感信息（例如密码，或更有可能是对攻击者尝试利用内核漏洞的内存地址）是否会留在寄存器中。 - Peter Cordes

如果在64位机器上，使用rax寄存器等于60的int $0x80会发生什么？我刚试了一下，它会产生一个SIGSEV，为什么会这样？ - Trey

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@Trey：因为那不是 sys_exit，所以你掉进了一个导致段错误的东西。在调试器中单步执行它。更重要的是，阅读 https://dev59.com/fFYO5IYBdhLWcg3wRfd-，在第一段中就有你问题的答案。这个答案也解释了为什么。 - Peter Cordes

网页内容由stack overflow 提供, 点击上面的

可以查看英文原文，
原文链接

- Paul R · Accepted Answer

请记住，默认情况下，64位操作系统中的所有内容都假定为64位。您需要确保（a）在适当的情况下使用32位版本的#include文件（b）链接32位库和（c）构建32位可执行文件。如果您有makefile，请显示其内容，否则请显示用于构建此示例的命令。

顺便说一句，我稍微修改了您的代码（_start -> main）：

#include <asm/unistd.h>
#include <syscall.h>
#define STDOUT 1

    .data
hellostr:
    .ascii "hello wolrd\n" ;
helloend:

    .text
    .globl main

main:
    movl $(SYS_write) , %eax  //ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
    movl $(STDOUT) , %ebx
    movl $hellostr , %ecx
    movl $(helloend-hellostr) , %edx
    int $0x80

    movl $(SYS_exit), %eax //void _exit(int status);
    xorl %ebx, %ebx
    int $0x80

    ret

并像这样构建它：

$ gcc -Wall test.S -m32 -o test

确认我们有一个32位可执行文件：

$ file test
test: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), for GNU/Linux 2.6.4, dynamically linked (uses shared libs), not stripped

看起来它运行得不错：

$ ./test
hello wolrd