第五周学习任务报告

学习计时：共7小时

读书：2小时

代码：1小时

作业：2小时

博客：2小时

第三章程序的机器级表示

3.1 历史观点

Intel处理器系统：x86（加入了很多处理小整数和浮点数向量的格式和指令

指令集：IA32：Intel32位体系结构

Linux使用平坦寻址方式，将整个储存空间看做一个大的字节数组

3.2 程序编码

命令gcc指的是GCC C编译器

-01 使用第一级优化（提高优化级别会使最终程序运行更快，但编译时间可能会变长

第二级优化被认为是较好的选择

将源代码转化成可执行代码的过程以前学过，不再详述

3.2.1 机器级代码

两种抽象：指令集体系结构，虚拟地址

汇编代码的特点：用可读性更好的文本格式来表示

可见的处理器状态：程序计数器（PC），整数寄存器文件，条件码寄存器，浮点寄存器

汇编代码不区分有符号或无符号整数，不区分各种类型的指针，不区分指针和整数

程序存储器：程序的可执行机器代码，操作系统需要的一些信息，用来管理过程调用和返回的运行时栈，用户分配的存储器块

操作系统负责管理虚拟地址空间，将虚拟地址翻译成实际处理器存储器中的物理地址

3.2.2 代码示例

机器实际执行的程序是对一系列指令进行编码的字节序列，对源代码一无所知‘

反汇编器：根据目标代码产生一种类似于汇编代码的格式

链接器将代码的地址移到一段不同的地址范围中

链接器确定了存储全局变量accum的地址

3.2.3 关于格式的注解

所有以.开头的行都是指导汇编器和链接器的命令

3.3 数据格式

16位 字

32位 双字

64位 四字

大多数数据类型都是双字

指针：4字节的双字

单精度 4字节

双精度 8字节

扩展精度 10字节/12字节

字符后缀

具体见P111图3-1

数据传送指令三个变种：movb，movw，movl

3.4 访问信息

一个CPU包含一组8个存储32位值得寄存器

3.4.1 操作数指令符

大多数指令有一个或多个操作数，指示出执行一个操作中要引用的源数据值，以及放置结果的目标位置

不同操作数的可能性分为3种类型：立即数$，寄存器，存储器

寻址模式：见p113图3-3

底部的是最常用的形式，书上有解释

3.4.2 数据传送指令

把许多不同的指令分为指令类

见图P114 图3-4

MOV类中的指令将元操作数的值复制到目的操作数中

MOVS和MOVZ指令将一个较小的源数据复制到一个较大的数据位置，高位用符号位扩展或零扩展进行填充

Pushl指令：把数据压入到栈上

3.4.3 数据传送示例

过程体

间接引用指针就是将该指针放在一个寄存器中，然后在存储器引用中使用这个寄存器

局部变量通常保存在寄存器中，寄存器访问比存储器访问要快得多

3.5 算术和逻辑操作

加载有效地址、一元操作、二元操作、移位

3.5.1 加载有效地址

Leal：从存储器读数据到寄存器

目的操作数必须是一个寄存器

3.5.2 一元操作和二元操作

一元操作有一个操作数

二元操作有两个操作数

两个操作数不能同时是存储器的位置

3.5.3 移位操作

先给出移位量，再给出要移位的数值

左移：SAL.SHL效果一样

右移：SAR算术，SHR逻辑

3.5.4 讨论

编译器产生代码中，会用一个寄存器存放多个程序值，还会在寄存器之间传送程序值

3.5.5 特殊的算术操作

双操作数乘法指令，从两个32位操作数产生一个32位乘积

无符号除法使用divl指令，通常事先将寄存器%edx设置为0

3.6 控制

测试数据值，然后根据测试的结果来改变控制流或者数据流

Jump指令可以改变执行顺序

3.6.1 条件码

单个位的条件码寄存器

常用条件吗：CF,ZF,SF,OF

CF：无符号溢出

ZF：零

SF：负数

OF：有符号溢出

Leal进行地址运算所以不改变条件码

两种只会设置条件码的指令：CMP，SUB

3.6.2 访问条件码

三种方法：

1. 根据条件码的某个组合，将一个字节设置为0或者1
2. 条件跳转到程序的某个其他部分
3. 有条件的传送数据

3.6.3          跳转指令及其编码

跳转指令会导致执行切换到程序中一个全新的位置

目的地通常用一个标号指明

当执行PC有关寻址时，程序计数器的值是跳转指令后面的那条指令的地址，而不是跳转指令本身的地址

3.6.4          翻译条件分支

有条件和无条件的跳转

Goto语句，无条件跳转

3.6.5          循环

1. do-while
2. while
3. for

3.6.6          条件传送代码

一种替代策略

3.6.7          switch语句

通过跳转表来访问代码位置

3.7     过程

3.7.1 栈帧结构

栈：传递过程参数、存储返回信息、保存寄存器用于以后恢复、本地存储

为单个过程分配的那部分栈成为栈帧

寄存器%ebp为帧指针

寄存器%esp为栈指针

3.7.2 转移控制

Call指令

目标：指明被调用过程起始的指令地址

效果：将返回地址入栈，并跳转到被调用过程的起始处

3.7.3 寄存器使用惯例

必须保证当一个过程调用另一个过程时，被调用者不会覆盖某个调用者稍后会使用的寄存器的值

3.7.4 过程示例

3.7.5 递归过程

使代码继续到完成部分，回复栈和被调用者保存寄存器，然后返回的两种情况：

终止条件，递归调用

3.8     数组分配和访问

3.8.1 基本原则

声明 T A[N];

3.8.2 指针运算

单操作数的操作符&和*可以产生指针和间接引用指针

3.8.3 嵌套的数组

其实就是二维数组

声明：T D[R][C]

3.8.4 定长数组

Define N n

3.8.5 变长数组

用malloc或calloc分配存储空间，显式的编码

3.9     异质的数据结构

结构体，联合体

3.9.1 结构

Struct：将不同类型的对象聚合到一个对象中

3.9.2 联合

允许以多种类型来引用一个对象

3.9.3 数据对齐

对齐限制简化了形成处理器和存储器系统之间接口的硬件设计

3.10综合：理解指针

每个指针都对应一个类型

每个指针都有一个值

指针用&运算符创建

运算符*用于指针的间接引用

数组与指针紧密联系

将指针从一种类型强制转换成另一种类型，只改变它的类型，不改变它的值

指针也可以指向函数

3.11  应用：使用GDB调试器

GDB：可以观察正在运行的程序，同时又对程序的执行有相当的控制

见P175图3-30

3.12  存储器的越界引用和缓存区溢出

常见的状态破坏：缓存区溢出

解决：使用fgets函数，它包括一个参数，限制待读入的最大字节数

攻击代码:让程序执行它本来不愿意执行的函数

两种攻击形式：使系统启用一个外壳程序，给攻击者提供一组操作系统函数；执行一些未授权的任务，修复对栈的破坏，第二次执行ret指令，正常返回给调用者

对抗缓存区溢出攻击

1. 栈随机化：防止安全单一化
2. 栈破坏检测：加入一种栈保护者
3. 现在可执行代码区域

3.13            x86-64：将IA32扩展到64位

数据类型：指针需要8个字节，long将整数变成64位

访问信息：寄存器16个，所以寄存器64位长，可以直接访问低32位

算术指令：在四字上进行运算的指令，后缀加q

控制：新增指令cmpq和testq，用于比较和测试四字

保存惯例：有些用来保存临时值的寄存器被指定为调用者保存，另外一些是被调用者保存

数据结构：数组作为同样大小的块的序列来分配，结构作为最长的块来分配，联合作为一个单独的块来分配。对任何K字节的标量数据类型来说，它的起始地址必须是K的倍数

3.14           浮点程序的机器级表示

浮点体系结构：存储模型，指令和传递规则的组合

两种：x87，SSE

遇到的问题：

1. 和地址有关的地方有点弄不清，比如练习题3.1的倒数几个空就不大会
2. 变长数组没看懂
3. 很多题都是看着答案逆推会的，也就是说光看题很难做出来

心得：

这一次的学习任务乍一看很多，但里面的很多内容以前都或多或少接触过，所以这些部分的笔记写得也比较粗略，只列出了提纲，而没有接触过的部分的笔记就比较精细。但虽然学过，在这本书里，视角又不同了，又可以用新的视角去看这些知识，所以也并不容易，看了一遍书，掌握并不熟练，还是会有怎么看都看不明白的地方，有看不进去的地方，有虽然看起来很明白但是过目就忘的地方。