使用 GNU 汇编器在 x86_64 中调用 printf

Posted 2023-02-19

【中文标题】使用 GNU 汇编器在 x86_64 中调用 printf

【英文标题】：Calling printf in x86_64 using GNU assembler

【发布时间】：2016-11-15 01:39:49

【问题描述】：

我使用 AT&T 语法编写了一个程序，用于 GNU 汇编器：

            .data
format:   .ascii "%d\n"  

            .text
            .global main  
main:
            mov    $format, %rbx
            mov    (%rbx), %rdi
            mov    $1, %rsi
            call     printf
            ret

我使用 GCC 来组装和链接：

gcc -o main main.s

我用这个命令运行它：

./main

当我运行程序时，我遇到了段错误。通过使用 gdb，它显示 printf 未找到。我试过“.extern printf”，它不起作用。有人建议我应该在调用printf之前存储堆栈指针并在RET之前恢复，我该怎么做？

【问题讨论】：

您应该真的阅读 SysV x86-64 ABI。乍一看，您在调用之前未对齐堆栈，您没有将 %rax 归零，您没有为正确的参数使用正确的寄存器，而且我怀疑您在不应该取消引用 format 时。

【参考方案1】：

此代码存在许多问题。 Linux 使用的AMD64 System V ABI 调用约定需要做一些事情。它要求在 CALL 之前堆栈至少 16 字节（或 32 字节）对齐：

输入参数区域的末尾应对齐在 16（32，如果 __m256 是 在堆栈上传递）字节边界。

C 运行时调用您的main 函数后，堆栈未对齐8，因为返回指针被CALL 放置在堆栈上。要重新对齐到 16 字节边界，您可以简单地将 PUSH any 通用寄存器放入堆栈并在最后 POP 将其关闭。

调用约定还要求 AL 包含用于变量参数函数的向量寄存器的数量：

%al 用于表示传递给需要可变参数数量的函数的向量参数的数量

printf是可变参数函数，所以需要设置AL。在这种情况下，您不会在向量寄存器中传递任何参数，因此您可以将 AL 设置为 0。

当 $format 指针已经是地址时，您还可以取消引用它。所以这是错误的：

mov  $format, %rbx
mov  (%rbx), %rdi 

这会获取格式的地址并将其放在RBX中。然后，您将 RBX 中该地址的 8 个字节放入 RDI 中。 RDI 需要是一个指向字符串的指针，而不是字符本身。这两行可以替换为：

lea  format(%rip), %rdi

这使用 RIP 相对寻址。

您还应该 NUL 终止您的字符串。您可以在 x86 平台上使用 .asciz，而不是使用 .ascii。

您的程序的工作版本可能如下所示：

# global data  #
    .data
format: .asciz "%d\n"
.text
    .global main
main:
  push %rbx
  lea  format(%rip), %rdi
  mov  $1, %esi           # Writing to ESI zero extends to RSI.
  xor %eax, %eax          # Zeroing EAX is efficient way to clear AL.
  call printf
  pop %rbx
  ret

---

其他建议/建议

您还应该从 64 位 Linux ABI 中了解到，调用约定还需要您编写的函数来尊重某些寄存器的保留。寄存器列表及是否保留如下：

任何在 中写着 Yes 的寄存器都保留 函数调用列是您必须确保在函数中保留的列。函数 main 与任何其他 C 函数一样。

---

如果您知道字符串/数据是只读的，您可以将它们放在.rodata 部分中，使用.section .rodata 而不是.data

---

在 64 位模式下：如果您的目标操作数是 32 位寄存器，CPU 会将寄存器零扩展至整个 64 位寄存器。这样可以节省指令编码的字节数。

---

您的可执行文件可能被编译为与位置无关的代码。您可能会收到类似于以下内容的错误：

在制作共享对象时，不能使用针对符号`printf@@GLIBC_2.2.5'的重定位R_X86_64_PC32；用 -fPIC 重新编译

要解决此问题，您必须以这种方式调用外部函数 printf：

call printf@plt 

这通过Procedure Linkage Table (PLT)调用外部库函数

【讨论】：

我已经重新组织了我的代码并且它可以工作。我以为是import printf的问题，没必要。非常感谢。

在这个特定的代码示例中，因为只有一个调用并且它出现在末尾，所以可以 JMP 到 printf 而不是 CALL 并使用 PUSH 消除堆栈对齐/流行音乐。这超出了我的回答范围，但可以随时查看 TAIL CALL optimizations

上的文献

优秀的建议。未来的旅行者，另请参阅：nickdesaulniers.github.io/blog/2014/04/18/…

我编辑的更改日志消息包含重要点。 . ABI 文档链接已损坏。其他更改是可选的，因为xor %eax,%eax 是将 AL 或 RAX 设置为零的最佳方法（因此说可变参数函数查看%rax 而不是%al 并无害处），其余的只是额外的细节/ cmets 因为无论如何都需要编辑来修复 ABI 链接。

【参考方案2】：

您可以查看从等效的 c 文件生成的汇编代码。 使用 test.c 运行 gcc -o - -S -fno-asynchronous-unwind-tables test.c

#include <stdio.h>
int main() 
   return printf("%d\n", 1);

这会输出汇编代码：

        .file   "test.c"
        .section        .rodata
.LC0:
        .string "%d\n"
        .text
        .globl  main
        .type   main, @function
main:
        pushq   %rbp
        movq    %rsp, %rbp
        movl    $1, %esi
        movl    $.LC0, %edi
        movl    $0, %eax
        call    printf
        popq    %rbp
        ret
        .size   main, .-main
        .ident  "GCC: (GNU) 6.1.1 20160602"
        .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

这为您提供了一个调用 printf 的汇编代码示例，您可以随后对其进行修改。

---

与您的代码相比，您应该修改两件事：

%rdi 应该指向格式，你不应该未引用 %rbx，这可以通过 mov $format, %rdi 来完成 printf 有可变数量的参数，那么你应该添加mov $0, %eax

应用这些修改会得到类似的结果：

    .data
format: .ascii "%d\n"  
.text
    .global main  
main:
  mov  $format, %rdi
  mov  $1, %rsi
  mov  $0, %eax
  call printf
  ret

然后运行它打印：

1

【讨论】：

您修改后的代码在调用printf 之前没有16 字节对齐堆栈。它可能适用于许多场景，但不是全部。在您的函数main 启动后推送任何 64 位寄存器并在最后恢复它会使事情保持一致。 64 位 Linux ABI 需要至少 16 字节对齐（如果将 256 位向量传递给函数，则需要 32 字节对齐）。在函数调用之前，堆栈需要 16（或 32）字节对齐。在 CALL 指令将控制权转移给一个函数（main 与其他 C 函数一样）后，返回地址被放置在堆栈上，使其错位 8。

@MichaelPetch：我试图给出一个修改最少的工作代码，否则 gcc 生成的程序集更好。

不幸的是，在这种情况下，16 字节对齐是幸运的。我怀疑在 -O2 或更高级别的优化级别上，它实际上会删除 PUSH/POP/RET，然后对 printf 进行尾部调用 JMP。在这种情况下，仍然保持对齐（没有额外的 PUSH/POP），因为 JMP 不像 CALL 那样在堆栈上放置返回地址。

Michael 是正确的：如果您要求 gcc 优化（通过使用 -O3），gcc 会发出最佳代码：godbolt.org/g/sX5yCe。它使用jmp 进行尾调用，因此堆栈对齐方式与进入main 时保持相同。它还使用xor 将%al 归零，而不是使用效率较低的mov。当然，它会将字符串常量放入.rodata，而不是.data。使用编译器输出作为优化的起点是一个不错的计划，但前提是您从-O2 或-O3 输出开始！否则你可能比编译器做得更差。