在C++内联汇编中使用基指针寄存器

Question

我希望能够在内联汇编中使用基址指针寄存器 (%rbp)。一个玩具示例可以如下所示：

void Foo(int &x)
{
    asm volatile ("pushq %%rbp;"         // 'prologue'
                  "movq %%rsp, %%rbp;"   // 'prologue'
                  "subq $12, %%rsp;"     // make room

                  "movl $5, -12(%%rbp);" // some asm instruction

                  "movq %%rbp, %%rsp;"  // 'epilogue'
                  "popq %%rbp;"         // 'epilogue'
                  : : : );
    x = 5;
}

int main() 
{
    int x;
    Foo(x);
    return 0;
}

我原本以为，由于我使用了通常的前导/尾声函数调用方法来推入和弹出旧的%rbp，这应该没问题。然而，在内联汇编后尝试访问x时，它出现了段错误。

GCC生成的汇编代码（稍微简化）如下：

_Foo:
    pushq   %rbp
    movq    %rsp, %rbp
    movq    %rdi, -8(%rbp)

    # INLINEASM
    pushq %rbp;          // prologue
    movq %rsp, %rbp;     // prologue
    subq $12, %rsp;      // make room
    movl $5, -12(%rbp);  // some asm instruction
    movq %rbp, %rsp;     // epilogue
    popq %rbp;           // epilogue
    # /INLINEASM

    movq    -8(%rbp), %rax
    movl    $5, (%rax)      // x=5;
    popq    %rbp
    ret

main:
    pushq   %rbp
    movq    %rsp, %rbp
    subq    $16, %rsp
    leaq    -4(%rbp), %rax
    movq    %rax, %rdi
    call    _Foo
    movl    $0, %eax
    leave
    ret

有人能告诉我为什么会出现段错误吗？看起来我不知道为什么破坏了 %rbp，但我不知道原因。提前感谢。

我在64位Ubuntu 14.04上运行GCC 4.8.4。

- jaw

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不要添加无关语言的标签。 - too honest for this site

对于汇编代码：使用汇编器参数来指定 C 端变量；不要依赖于汇编代码中的特定寄存器布局。并始终指定占用寄存器。 - too honest for this site

movq %rdi, -8(%rbp) 将 RDI 存入红区。然后执行 pushq %rbp;，这会将 RSP 减少 8 并将值存入 RBP 中。不幸的是，由于 RSP=RBP，您刚刚覆盖了 GCC 存储在那里的值（应该是 _RDI_）。当内联汇编器完成后，尝试执行 movq -8(%rbp), %rax。现在我们已经知道您破坏了内存位置 -8(%rbp) 处的数据，因此它现在包含一个伪造的值，然后我们尝试使用 movl $5, (%rax) 解引用它。由于 RAX 不再具有有效指针，因此此指令可能导致段错误。 - Michael Petch

如果你想在内联汇编中使用C / C ++变量，你真的需要开始使用输入（和输出，如果需要的话）约束来允许数据被传入（和/或传出）。 - Michael Petch

Answer 1

请查看本答案底部的链接收藏，其中包含其他内联汇编的问答。

你的代码有问题，因为你使用push指令覆盖了RSP下面的红区，而GCC正是在这里保存了一个值。

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你希望通过内联汇编学到什么？如果你想学习内联汇编，那就学会如何使用它来编写高效的代码，而不是像这样可怕的东西。如果你想编写函数序言并推入/弹出以保存/恢复寄存器，你应该整个函数都用汇编语言编写。（然后你可以轻松地使用nasm或yasm，而不是GNU汇编器指令中较不受大多数人欢迎的AT&T语法。）

GNU内联汇编难以使用，但允许您在C和C++中混合使用自定义汇编片段，同时让编译器处理寄存器分配和任何必要的保存/恢复操作。有时编译器将能够避免保存和恢复操作，给您一个允许被破坏的寄存器。没有volatile，它甚至可以将汇编语句提升出循环，当输入相同时。（即除非您使用volatile，否则假定输出是输入的“纯”函数。）

如果你只是想学习汇编语言，GNU内联汇编是一个糟糕的选择。你需要完全理解几乎所有与汇编相关的内容，并且要了解编译器需要知道什么，才能编写正确的输入/输出约束并使一切正确。错误将导致覆盖东西和难以调试的故障。函数调用ABI是代码和编译器代码之间边界的一个更简单、更易于跟踪的方式。

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为什么这会出错

你使用了 -O0编译选项，因此gcc会将函数参数从%rdi溢出到堆栈位置。即使使用-O3，这在复杂的函数中仍然可能发生。

由于目标ABI是x86-64 SysV ABI，因此它使用"Red Zone"（即在%rsp下方128个字节，即使异步信号处理程序也不允许破坏），而不是浪费指令来减少堆栈指针以保留空间。

它将8B指针函数参数存储在-8(rsp_at_function_entry)处。然后，您的内联asm推送%rbp，它通过减少%rsp 8并将其写入那里来破坏&x（指针）的低32位。

当您的内联asm完成时，

• gcc重新加载-8(%rbp)（已被覆盖为%rbp），并将其用作4B存储的地址。
• Foo返回到main，其中%rbp = (upper32)|5（原始值的低32位设置为5）。
• main运行leave：%rsp = (upper32)|5
• main使用%rsp = (upper32)|5运行ret，从虚拟地址(void*)(upper32|5)读取返回地址，根据您的评论，该地址为0x7fff0000000d。

我没有使用调试器进行检查；其中一些步骤可能略有偏差，但问题肯定是您破坏了红区，导致gcc的代码破坏了堆栈。

即使添加“memory” clobber也无法让gcc避免使用red zone，因此似乎从inline asm中分配自己的堆栈内存只是一个坏主意。(memory clobber指可能已经写入了一些允许写入的内存，例如全局变量或由全局指向的东西，而不是可能已经覆盖了不应该覆盖的内容。)

如果您想从inline asm中使用scratch空间，您应该将数组声明为本地变量，并将其用作仅输出操作数（您永远不会从中读取）。

据我所知，没有语法可以声明您修改red-zone，因此您的唯一选择是:

• 使用一个"=m"输出操作数（可能是数组）作为临时空间；编译器可能会用相对于RBP或RSP的寻址模式填充该操作数。您可以使用类似4 + %[tmp]的常量进行索引。您可能会收到来自4 + (%rsp)的汇编警告，但不会出错。
• 通过add $-128, %rsp / sub $-128, %rsp跳过红区域以绕过代码。（如果想使用未知数量的额外堆栈空间，例如在循环中推入或进行函数调用，则必须这样做。这也是在纯C中解引用函数指针而不是内联汇编的另一个原因。）
• 使用-mno-red-zone编译（我认为您无法在每个函数基础上启用它，只能在每个文件上启用）
• 首先不要使用临时空间。告诉编译器您破坏了哪些寄存器，让它保存它们。

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这是你应该做的：

void Bar(int &x)
{
    int tmp;
    long tmplong;
    asm ("lea  -16 + %[mem1], %%rbp\n\t"
         "imul $10, %%rbp, %q[reg1]\n\t"  // q modifier: 64bit name.
         "add  %k[reg1], %k[reg1]\n\t"    // k modifier: 32bit name
         "movl $5, %[mem1]\n\t" // some asm instruction writing to mem
           : [mem1] "=m" (tmp), [reg1] "=r" (tmplong)  // tmp vars -> tmp regs / mem for use inside asm
           :
           : "%rbp" // tell compiler it needs to save/restore %rbp.
  // gcc refuses to let you clobber %rbp with -fno-omit-frame-pointer (the default at -O0)
  // clang lets you, but memory operands still use an offset from %rbp, which will crash!
  // gcc memory operands still reference %rsp, so don't modify it.  Declaring a clobber on %rsp does nothing
         );
    x = 5;
}

请注意gcc在#APP / #NO_APP部分之外的代码中push/pop %rbp。此外，请注意它给你的临时存储器位于红区。如果您使用-O0编译，则会看到它与溢出&x的位置不同。

要获取更多的临时寄存器，最好只声明更多的输出操作数，在周围非汇编代码中从未被使用。这样做可以将寄存器分配留给编译器，因此在不同地方内联时可能会有所不同。提前选择并声明一个clobber仅在需要使用特定寄存器（例如%cl中的移位计数）时才有意义。当然，像"c"（count）这样的输入约束会让gcc将计数放入rcx/ecx/cx/cl中，因此您不需要发出潜在冗余的mov %[count]，%%ecx。

如果这看起来太复杂，不要使用内联汇编。通过使用与最佳汇编相似的 C 代码引导编译器到你想要的汇编，或者编写整个函数的汇编代码来实现目标。

在使用内联汇编时，尽可能保持它的简短：理想情况下仅包含一个或两个指令，告诉编译器如何将数据输入/输出到汇编语句中。这就是内联汇编的设计初衷。

经验法则：如果您的 GNU C 内联汇编以 mov 开头或结尾，则通常做错了，应该使用约束条件代替。

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脚注:

1. 您可以使用GAS的intel语法在内联汇编中构建，方法是使用-masm=intel（这种情况下，您的代码将仅适用于该选项），或者使用方言替代以便与Intel或AT&T汇编输出语法的编译器一起工作。但这不会改变指令，并且GAS的Intel语法文档不太完善。（它类似于MASM而不是NASM）。除非您真的很讨厌AT&T语法，否则我不建议使用它。

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内联汇编链接：

• x86维基百科。(此标签维基还链接到此问题，以获取这些链接的集合)

• 内联汇编标签维基

• 手册。 请阅读。请注意，内联汇编是设计用来包装编译器不会正常发出的单个指令的。这就是为什么它的措辞是“指令”，而不是“代码块”的原因。

• 教程

• 使用内联汇编循环遍历数组 使用r约束用于指针/索引，并使用您选择的寻址模式，而不是使用m约束让gcc在指针增量和索引数组之间进行选择。

• 如何表明内联ASM参数指向的内存可以使用？（寄存器中的指针输入不意味着指向的内存被读取和/或写入，因此如果您不告诉编译器，则可能不同步）。

• 在GNU C内联汇编中，xmm / ymm / zmm的修饰符是什么，适用于单个操作数？使用%q0获取%rax与使用%w0获取%ax。使用%g[scalar]获取%zmm0而不是%xmm0。

• 使用Carry Flag进行高效的128位加法 Stephen Canon的答案解释了需要在读取+写入操作数上进行提前破坏声明的情况。还要注意，x86 / x86-64内联汇编不需要声明"cc" clobber（条件码，也称标志）;它是隐含的。（gcc6引入了使用标志条件作为输入/输出操作数的语法。在此之前，您必须将一个寄存器setcc，gcc将生成代码以test，这显然更糟。）

• 关于strlen不同实现性能的问题：我在一个带有一些糟糕使用的内联汇编的问题上的答案，答案与此类似。

• llvm报告：不支持的内联ASM：具有类型“void *”匹配输出具有类型“int”的输入：使用可偏移内存操作数（在x86中，所有有效地址都可以偏移：您始终可以添加位移量）。

• 何时不使用内联ASM，例如32b / 32b => 32b除法和余数的例子，编译器已经可以用单个div完成。（问题中的代码是一个如何不使用内联ASM的例子：许多为设置和保存/恢复而应该由编写适当的输入/输出约束留给编译器的指令。）

• {{link15：MSVC内联汇编与GNU C内联汇编的区别}}，具有正确的内联汇编示例，用于 64b / 32b =＆gt; 32bit 除法。 MSVC的设计和语法要求通过内存进行输入和输出的往

  有些内容会重复我在这里解释过的一些东西。我没有重新阅读它们，以避免冗余，抱歉。

- Peter Cordes

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彼得，你的回答太棒了！但是在你的链接中，你重复了同一个链接。 - Z boson

@jaw：用C语言编写原型，将函数编写在单独的.S（GNU语法）或.asm（NASM/YASM语法）文件中。使用命令gcc -Wall -O3 main.c myfunc.S -o myprog进行编译。参见https://dev59.com/a2zXa4cB1Zd3GeqPQSTr。如果您使用NASM/YASM，请运行`yasm -felf64 myfunc.asm生成一个.o`文件，然后可以与C语言链接。确保您的函数遵循ABI（要保留哪些寄存器以及如何查找其参数），否则当gcc调用它时会出现错误。如果我没记错的话，Agner Fog的优化汇编指南花了一些时间来介绍如何做到这一点。（链接在x86标签wiki中） - Peter Cordes

@Zboson：我想我记得另外两个链接，而不是重复的链接：早期破坏讨论。还有操作数大小修饰符问题。 - Peter Cordes

很好的链接。关于Stephen Canon的答案，最初没有使用clobber修饰符。我按照他的答案进行了256位加法操作，但是一直得不到正确的答案，直到我想到使用clobber修饰符为止。对于没有使用clobber修饰符的128位加法，我从未遇到过问题。问题发生在第三次加法之后。但这可能只是巧合。这就是为什么我在他的答案中留下了评论的原因。 - Z boson

相关内容：如何告诉gcc我的内联汇编会破坏栈的一部分？ - Peter Cordes

Answer 2

在x86-64中，堆栈指针需要对齐到8个字节。

这是因为：

subq $12, %rsp;      // make room

should be:

subq $16, %rsp;      // make room

- Mats Petersson

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实际上，即使没有“// some asm instruction”语句，它仍然失败。为什么推送和弹出会搞乱$rbp？ - jaw

gdb 的输出如下（它在汇编几行后发生了段错误）：第 11 行：Foo (x=@0x7fffffffe034: 32767): " : : : );"，第 12 行：Foo (x=@0x7fffffffe020: -8128): "x = 5"，第 13 行："}"：无法访问地址 0x7fff0000000d 的内存。程序收到信号 SIGSEGV，分段错误。 - jaw

请将以下与编程相关的内容从英语翻译成中文。仅返回翻译后的文本： - jaw

你可能想要反汇编它以查看实际的指令是什么，但在我看来，你已经完全搞乱了堆栈指针。 - Mats Petersson

在崩溃后，请使用“disass foo”和“info reg”编辑问题。 - Mats Petersson