2017-2018-1 20155226《信息安全系统设计基础》第13周学习总结
教材学习内容深度学习
章节练习题
3.58
long decode2(long x, long y, long z)
{
int result = x * (y - z);
if((y - z) & 1)
result = ~result;
return result;
}3.60
A. x : %rdi n : %esi result : %rax mask : %rdx
B. result = 0 mask = 1
C. mask != 0
D. mask >>= n
E. result |= (x & mask)
long loop(long x, int n)
{
long result = 0;
long mask;
for(mask = 1; mask != 0; mask >>= n)
{
result |= (x & mask);
}
return result;
}3.61
long cread_alt(long *xp)
{
static long tmp = 0;
if(xp == 0)
{
xp = &tmp;
}
return *xp;
}这个地方也是很无语，在我的环境下必须将tmp的存储类型设置为静态存储，并且将gcc的优化设置为O3，这样才能生成使用conditional transfer的指令（才能让gcc相信优化是值得的。。）：
00000000004004f0 <cread_alt>:
4004f0: 48 85 ff test %rdi,%rdi
4004f3: b8 38 10 60 00 mov $0x601038,%eax
4004f8: 48 0f 44 f8 cmove %rax,%rdi
4004fc: 48 8b 07 mov (%rdi),%rax
4004ff: c3 retq 3.62
typedef enum {MODE_A, MODE_B, MODE_C, MODE_D, MODE_E}
long switch3(long *p1, long *p2, mode_t action)
{
long result = 0;
switch(action)
{
case MODE_A:
result = *p2;
*p2 = *p1;
break;
case MODE_B:
result = *p1 + *p2;
*p1 = result;
break;
case MODE_C:
*p1 = 59;
result = *p2;
break;
case MODE_D:
*p1 = *p2;
case MODE_E:
result = 27;
break;
default:
result = 12;
}
return result;
}3.63
long switch_prob(long x, long n)
{
long result = x;
switch(n)
{
case 0:
case 2:
result += 8;
break;
case 3:
result >>= 3;
break;
case 4:
result = (result << 4) - x;
case 5:
result *= result;
default:
result += 0x4b;
}
return result;
}3.64
A. &A[i][j][k] = Xa + L(iST + j*T + k)
B. R = 7，S = 5，T = 13
3.65
A. rdx (每次移位8，即按行移动)
B. rax(每次移位120 = 8 * 15，按列移动)
C. 由B，M = 15
3.66
NR(n)是数组的行数，所以我们找循环的次数，即rdi，得到rdi = 3n.
NC(n)是数组的列数，所以我们应该找每次循环更新时对指针增加的值，这个值等于sizeof(long) * NC(n)，即r8，得到r8 = 8 * (4n + 1).
综上，可知两个宏定义：
#define NR(n) (3*(n))
#define NC(n) (4*(n)+1)3.67
A.
B. %rsp + 64
C. 通过以%rsp作为基地址，偏移8、16、24来获取strA s的内容（由于中间夹了一个返回地址，所以都要加8)
D. 通过传进来的参数%rdi(%rsp + 64 + 8)，以此作为基地址，偏移8、16、24来写入strB r
E.
F. 我记得我在看《C语言程序设计: 现代方法 2rd》的时候，里面说传递聚合类型的变量可以使用指针，这样比传递整个数据结构要快一些（当然写操作会改变实参）。这个题目里面也都是读操作，可以发现编译器自动进行了优化——传递了基地址而非复制了整个数据结构。返回就是在调用它的函数的栈帧中存入一个相关的数据结构。（这个题里面process其实没有栈帧，如果返回地址算eval的话）3.68
这题考察的是内存对齐。通过结构体成员的位置逐渐缩小范围：
int t 为8(%rsi)，所以4<B<=8
long u 为32(%rsi)，所以24 < 8 + 4 + 2*a <= 32，得到6<A<=10
long y 为184(%rdi)，所以176 < 4*A*B <= 184，得44 < A*B <=46。所以AB = 45 或者AB = 46，结合A, B各自的范围，只可能为A = 9, B = 5.
3.69
A. 根据第4、5行的指令, idx的值为(bp + 40i + 8)，由第1、2行指令，这里的8是因为第一个int first整数和内存对齐的原因，所以每一个a_struct的大小为40字节。
由于0x120 - 0x8 = 280字节，所以CNT = 280/40 = 7.
B. 由第6、7行指令知，idx和x数组内元素都是signed long类型的。由于整个a_struct数据类型大小为40字节，所以其内部应该为85 = 8 + 84:
typedef struct
{
long idx;
long x[4];
}
3.70
A.
e1.p : 0
e1.y : 8
e2.x : 0
e2.next : 8
B. 16 bytes
C.
void proc(union ele *up)
{
up->x = *(up->e2.next->e1.p) - up->e2.next->e1.y;
}3.71
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define SIZE_OF_BUFFER 10
int good_echo(void)
{
char *buffer = calloc(SIZE_OF_BUFFER, sizeof(char));
if (buffer == NULL)
{
fprintf(stderr, "Error: failed to allocate buffer.\\n");
return -1;
}
while(1)
{
fgets(buffer, SIZE_OF_BUFFER, stdin);
if (strlen(buffer) == SIZE_OF_BUFFER-1) /*两种情况，一种是刚好输入了能填满缓冲区的字符数，另一种是大于缓冲区，一次不能读完*/
{
fputs(buffer, stdout);
if (buffer[SIZE_OF_BUFFER-1-1] == ‘\\n‘)/*刚好输入了能填满缓冲区的字符数,结束读入*/
{
break;
}
memset(buffer, 0, strlen(buffer));/*清空缓冲区，因为要通过strlen判断读入了多少字符，继续读入*/
}
else if (strlen(buffer) < SIZE_OF_BUFFER-1)/*一定是最后一次读入，结束读入*/
{
fputs(buffer, stdout);
break;
}
else
{
break;
}
}
free(buffer);
return 0;
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
return good_echo();
}3.72
A. andq $-16, X这条指令相当于将低4位置零，也就是使得rax中保存的8n+30对16取整。所以s2-s1为8n+30对16取整的结果。
B. p的值为rsp(r8)-15对16取整的结果，确保了p数组的起始地址为16的整数倍。
C. 8n + 30对16取整有两种可能：一种是8n本身就是16的整数倍即n = 2k，此时取整后为8n+16; 另一种是8n = 16k + 8即n = 2k + 1，此时取整后为8n + 24。由System V AMD64 ABI标准可知，s1的地址为16的整数倍(即结尾为0000)，所以s2的地址也肯定是16的整数倍(结尾为0000)。又因p是由s2减15对16取整得到的结果，所以p和s2之间肯定相差2字节，即e2 = 2 bytes. 所以e1最大为（n为奇数） ：8n + 24 - 16 - 8n = 8 bit, 最小为（n为偶数）：8n + 16 -16 - 8n = 0.（这个题我估计没有考虑到ABI标准对于栈帧对齐的问题，s1的地址本来就应该是16的整数倍）
D. 由A B C可知，这种方法保证了s2 和 p的起始地址为16的整数倍，而且保证了e1最小为8n，能够存储p数组。
浮点数部分并未测试
3.73
find_range:
vxorps %xmm1, %xmm1, %xmm1
vucomiss %xmm0, %xmm1
ja .L5
jp .L8
movl $1, %eax
je .L3
.L8:
seta %al
movzbl %al, %eax
addl $2, %eax
ret
.L5:
movl $0, %eax
.L3:
rep;ret3.74
find_range:
vxorps %xmm1, %xmm1, %xmm1
vucomiss %xmm0, %xmm1
cmova $0, %eax
cmove $1, %eax
cmovb $2, %eax
cmovp $3, %eax
rep;ret3.75
A. 每一个复数变量使用两个%xmm寄存器传送。
B. 通过%xmm0和%xmm1返回一个复数类型值。
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3.1历史观点
X86 寻址方式经历三代：
DOS时代的平坦模式，不区分用户空间和内核空间，很不安全
8086的分段模式
IA32的带保护模式的平坦模式Linux使用平坦寻址方式，使程序员将整个存储空间看做一个大的字节数组。
3.2程序编码
- ISA：指令集体系结构，机器级程序的格式和行为，它定义了处理器状态、指令的格式以及每条指令对状态的影响。
- 程序计数器（通常称为PC，用%eip表示），指示将要执行的下一条指令在存储器中的地址。
- 整数寄存器文件：存储地（对应于C语言的指针）或整数数据。
条件码寄存器：保存着最近执行的算数或逻辑指令的状态信息，用来实现控制或者数据流中的条件变化。 浮点寄存器：用来存放浮点数据。
编译过程：
- C预处理器插入宏和头文件：
gcc -E xxx.c -o xxx.i - 编译器产生源代码的汇编代码：
gcc -S xxx.i -o xxx.s - 汇编器化成二进制目标代码：
gcc -c xxx.s -o xxx.o - 链接器生成最终可执行文件：
gcc xxx. -o xxx - 用
objdump -d xxx.o -o反汇编 建立函数调用栈帧的汇编代码：
pushl %ebp 将寄存器%ebp中的内容压入程序栈 movl %esp,%ebp 将%ebp中的内容放入寄存器%esp ...... popl %ebp 寄存器%ebp中内容出栈 ret 返回结果注意:
64位机器上想要得到32代码：
gcc -m32 -S xxx.c- Ubuntu中
gcc -S code.c（不带-O1）产生的代码更接近教材中代码（删除"."开头的语句） - 找到程序的字节表示：
(gdb) x/17xb sum 二进制文件可以用od命令查看，也可以用gdb的x命令查看。有些输出内容过多，我们可以使用 more或less命令结合管道查看，也可以使用输出重定向来查看
od code.o | more od code.o > code.txt
3.4访问信息
寄存器
一个IA32中央处理单元（CPU）包含一组8个存储32位值的寄存器。用来存储整数数据和指针。
%eax %ax （%ah %al） 通用寄存器
%ecx %cx （%ch %cl） 通用寄存器
%edx %dx (%dh %dl) 通用寄存器
%ebx %bx (%bh %bl) 通用寄存器
%esi %si 用来操纵数组
%edi %di 用来操纵数组
%esp %sp 操纵栈帧
%ebp %bp 操纵栈帧寻址方式
- 根据操作数的不同类型，寻址方式可分为以下三种：
- 立即数寻址方式：操作数为常数值，写作$后加一个整数。
- 寄存器寻址方式：操作数为某个寄存器中的内容。
- 存储器寻址方式：根据计算出来的地址访问某个存储器的位置。
寻址模式：一个立即数偏移Imm，一个基址寄存器Eb，一个变址寄存器Ei，一个比例因子s（必须为1,2,4,8）有效地址计算为:
Imm(Eb,Ei,s) = Imm + R[Eb] + R[Ei]*s数据传送指令
- MOV相当于C语言的赋值‘=‘
mov S,D S中的字节传送到D中
3.6控制
条件码
描述最近的算数或者逻辑操作的属性，可以检测这些寄存器来执行条件分支指令。
- CF：进位标志，最近操作使高位产生进位，用来检测无符号操作数的溢出
- ZF：零标志，最近操作得出的结果为0
- SF：符号标志，最近操作得到的结果为负数
- OF：溢出标志，最近操作导致一个补码溢出-正溢出或负溢出。
访问条件码的读取方式
- 根据条件码的某个组合，将一个字节设置成0或1；
- 跳转到程序某个其他的部分；
- 有条件的传送数据。
SET指令根据t=a-b的结果设置条件码
跳转指令及其编码
控制中最核心的是跳转语句：
有条件跳转（实现if,switch,while,for）无条件跳转jmp(实现goto)
当执行PC相关的寻址时，程序计数器的值是跳转指令后面那条指令的地址，而不是跳转指令本身的地址。
翻译条件分支
- 将条件和表达式从C语言翻译成机器代码，最常用的方式是结合有条件和无条件跳转。
C语言中if-else语句的通用形式：
if(test-expr) then-statement else else-statement汇编结构：
t=test-expr; if!(t) goto false; then-statement goto done; false: else-statement done:循环
- do-while循环
C语言中do-while语句的通用形式：
do body-statement while(test-expr);汇编结构：
loop: body-statement t=test-expr; if(t) goto loop;
- while循环
C语言中while语句的通用形式：
while(test-expr) body-statement汇编结构：
t=test-expr; if(!t) goto done; loop: body-statement t=test-expr; if(t) goto loop; done:
- for循环
C语言中for语句的通用形式：
for(init-expr;test-expr;update-expr) body-statement汇编结构
init-expr t=test-expr; if(!t) goto done; loop: body-statement update-expr; t=test-expr; if(t) goto loop; done:
3.7过程
数据传递、局部变量的分配和释放通过操纵程序栈来实现。
栈帧结构
- 为单个过程分配的栈叫做栈帧，寄存器%ebp为帧指针，而寄存器指针%esp为栈指针，程序执行时栈指针移动，大多数信息的访问都是相对于帧指针。
栈向低地址方向增长，而栈指针%esp指向栈顶元素。
转移控制
- call：目标是指明被调用过程起始的指令地址，效果是将返回地址入栈，并跳转到被调用过程的起始处。
- ret：从栈中弹出地址，并跳转到这个位置。
函数返回值存在%eax中
寄存器使用惯例
程序寄存器是唯一能被所有过程共享的资源，调用者保存寄存器 和 被调用者保存寄存器是分开的，对于哪一个寄存器保存函数调用过程中的返回值要有统一的约定。
教材及课堂学习和总结
- 问题和解决方法已在测试中列出
代码托管
尝试一下记录「计划学习时间」和「实际学习时间」，到期末看能不能改进自己的计划能力。这个工作学习中很重要，也很有用。
耗时估计的公式
：Y=X+X/N ，Y=X-X/N，训练次数多了，X、Y就接近了。
计划学习时间:25小时
实际学习时间:20小时
(有空多看看现代软件工程 课件
软件工程师能力自我评价表)