and esp, 0xfffffff0

Question

我不完全理解下面带有注释的那行代码。我在SO上读了几篇文章并查阅了gcc手册，得知它是用于堆栈地址对齐，但我不明白它是如何实现的。以下是代码：

(gdb) disas main
Dump of assembler code for function main:
   0x08048414 <+0>: push   ebp
   0x08048415 <+1>: mov    ebp,esp
   0x08048417 <+3>: and    esp,0xfffffff0 ; why??
   0x0804841a <+6>: sub    esp,0x10
   0x0804841d <+9>: mov    DWORD PTR [esp],0x8048510
   0x08048424 <+16>:    call   0x8048320 <puts@plt>
   0x08048429 <+21>:    mov    DWORD PTR [esp],0x8048520
   0x08048430 <+28>:    call   0x8048330 <system@plt>
   0x08048435 <+33>:    leave
   0x08048436 <+34>:    ret
End of assembler dump.

该代码是使用Linux上的gcc（版本4.6.3）生成的。谢谢。

- gumchew

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这是通过蛮力对齐的，最低的4位被重置，因此根据定义，它现在至少对齐到16。 - harold

它使地址成为16的倍数，即针对128位处理器进行优化。 - Mr Lister

N字节对齐意味着起始地址是N字节的倍数。如果N是2的幂，则它还意味着存储整个值的所有字节地址完全相同，除了最低位的log2(N)位。这允许使用像您发布的代码中那样的简单掩码技术，而不是整数模数（除法余数）运算。 - Mike DeSimone

可能是为什么Mac ABI要求x86-32的16字节堆栈对齐？的重复问题。 - nneonneo

@MikeDeSimone，你的解释和其他人的确是合理的。谢谢大家。 - gumchew

Answer 1

and esp, 0xfffffff0 对栈指针和一个常量进行按位与运算，并将结果存回到栈指针中。

该常量被选择为其低四位为零。因此，AND操作将在结果中将这些位设置为零，并保留esp的其他位。这将导致将栈指针向下舍入到最近的16的倍数。

- nneonneo

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这将导致将栈指针向下舍入到最接近16的倍数。 - gumchew

非常好。现在我完全明白了。感谢您的耐心。虽然花了一点时间，但我们终于做到了！ :) - gumchew

Answer 2

看起来这是一些设置商店的代码，位于main开始部分。

函数开始：将基础帧指针保存在堆栈上（稍后leave指令需要用到）：

   0x08048414 <+0>: push   ebp

现在，我们将栈指针对齐到16字节的边界，因为编译器（出于某种原因）需要这样。可能是因为它总是希望16字节对齐的帧，或者局部变量需要16字节对齐（也许有人使用了uint128_t，或者正在使用一个使用gcc向量扩展的类型）。基本上，由于结果始终小于或等于当前堆栈指针，并且栈向下增长，因此只需丢弃一些字节，直到它到达16字节对齐点即可。

   0x08048415 <+1>: mov    ebp,esp
   0x08048417 <+3>: and    esp,0xfffffff0

接下来，我们从堆栈指针中减去16，创建16字节的本地变量空间。

   0x0804841a <+6>: sub    esp,0x10

puts((const char*)0x8048510);

   0x0804841d <+9>: mov    DWORD PTR [esp],0x8048510
   0x08048424 <+16>:    call   0x8048320 <puts@plt>

system((const char*)0x8048520);

   0x08048429 <+21>:    mov    DWORD PTR [esp],0x8048520
   0x08048430 <+28>:    call   0x8048330 <system@plt>

退出函数（参见关于leave的另一个答案）：

   0x08048435 <+33>:    leave
   0x08048436 <+34>:    ret

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“丢弃字节”的例子：假设在main函数开始时，esp = 0x123C。代码的第一行：

   0x08048414 <+0>: push   ebp
   0x08048415 <+1>: mov    ebp,esp

结果在这个内存映射中：

0x123C: (start of stack frame of calling function)
0x1238: (old ebp value) <-- esp, ebp

然后：

   0x08048417 <+3>: and    esp,0xfffffff0

将ESP的最后4位强制为0，这样做的目的是：

0x123C: (start of stack frame of calling function)
0x1238: (old ebp value) <-- ebp
0x1234: (undefined)
0x1230: (undefined) <-- esp

在这个阶段，程序员无法依赖于esp和ebp之间有一定数量的内存可用；因此，该内存被废弃并未被使用。

最后，程序分配了16个字节的栈（局部）存储空间：

接下来，我们从堆栈指针中减去16，创建出16个字节的局部变量空间：

   0x0804841a <+6>: sub    esp,0x10

给我们提供了这张地图：

0x123C: (start of stack frame of calling function)
0x1238: (old ebp value) <-- ebp
0x1234: (undefined)
0x1230: (undefined)
0x123C: (undefined local space)
0x1238: (undefined local space)
0x1234: (undefined local space)
0x1230: (undefined local space) <-- esp

在这一点上，程序可以确定esp指向16个字节的内存，并且这些内存是按16字节对齐的。

- Mike DeSimone

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哇，这很全面。你能再解释一下“它只是丢弃字节，直到达到16字节对齐点”的意思吗？我对其他部分都理解得很好。谢谢。 - gumchew

太好了。现在我完全明白了。感谢您的耐心。虽然花了一点时间，但我们终于做到了！ :) - gumchew

更新了一个例子。 - Mike DeSimone

现在我们将栈指针对齐到16字节边界，因为编译器（出于某种原因）需要。这可能是因为它始终需要16字节对齐的帧，或者局部变量需要16字节对齐（也许有人使用了uint128_t，或者他们正在使用使用gcc向量扩展的类型）。<- 这可能是因为GCC生成支持SSE / SSE2的代码。此外，在main()中我没有使用uint128_t类型。 - gumchew

Answer 3

我知道这是很久以前发布的，但它可能对其他人有帮助。

1）在现代处理器中，我们知道GCC将堆栈默认对齐为16字节对齐。

2）16字节（128位）是由于SSE2指令具有MMX和XMM寄存器，而XMM寄存器为128位。

3）所以当一个函数调用被执行时，它会自动对齐到16字节，在函数外部它保持8字节。

4）使用0xfffffff0的逻辑是将低4位保持为0， 这是因为简单的布尔数学表明，在二进制中，16的倍数有低4位为零（为什么是四位？ 2 ^ 4 = 16）。

- Abhishek D K