汇编中调用 C 语言函数

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这篇小文章中尝试在汇编中调用简单的 C 语言函数，主要是为了加深对 C 语言调用约定的
理解和记忆，也是对汇编编写简单程序的一次小尝试。程序非常简单，主要是尝试对这几天
学习的知识进行运用。

环境说明

使用的环境为：

  • Ubuntu 14.04, 64-bit
  • Intel i7
  • gcc 4.8.4

预备知识

调用约定

根据维基百科的描述
x86-64 下 Linux 下 gcc 的参数传递使用寄存器的顺序为 RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9, XMM0–7

栈帧结构和调用流程

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push 函数参数
call <proc>       ; push <proc> 的返回地址             ;调用函数
--------------------------------------------------------------------
push %ebp                                             ;被调函数
mov  %esp, %ebp
sub  $<n>, %esp   ; 为局部变量开辟空间

;; ... work to do

leave
ret
--------------------------------------------------------------------
;; 处理返回值或其他                                      ;调用函数

说明：

  1. 第1行 函数参数压栈并不一定要用 pushq，包括第6行的为局部变量开辟空间，方式可以
    参考这篇博客。
  2. 返回地址的压栈应该通过 call 指令进行。
  3. 这段程序并没有严格按照 AT&T 汇编语法进行书写，具体请参考下面的例子代码。
  4. leave 指令的作用相当于 mov %ebp, %esp、pop %ebp 两条指令，和ret配合返
    回调用函数是常用做法。

代码示例

被调 C 函数

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/* print.c */
#include <stdio.h>

// 无参数无返回值
void print_hello(void)
{
    printf("hello\n");
}

// 有参数无返回值
void print_int(int i)
{
    printf("%d\n", i);
}

// 有两个参数无返回值
void print_add(int a, int b)
{
    printf("a: %d, b: %d, a+b: %d\n", a, b, a+b);
}

// 有参数有返回值
int return_add(int a, int b)
{
    return a+b;
}

都是十分简单的 C 函数，应该不需要什么特别的说明。

汇编代码

先从最简单的开始，即调用无参数无返回值的函数，代码如下：

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    .globl print_hello, main, print_int, print_add, return_add

main:
    pushq %rbp
    movq %rsp, %rbp
    call print_hello

    leave
    ret

编译运行如下：

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➜  asm_call_c gcc main.s print.c
➜  asm_call_c ./a.out
hello
➜  asm_call_c echo $?
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其中，➜是 zshell 的提示符，asm_call_c 是当前目录，其后是命令。在这里看的不是很
直观，其实在运行./a.out后，zshell 的提示符变成了红色，表示上一个命令的返回值不
为 0，原因是我们的汇编代码中没有返回值，在代码中加入即可。如下所示：

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    .globl print_hello, main, print_int, print_add, return_add

main:
    pushq %rbp
    movq %rsp, %rbp
    call print_hello

    movl $0, %eax
    leave
    ret

返回值是通过eax进行传递的。重新编译运行，可以看到返回值正常了：

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➜  asm_call_c gcc main.s print.c
➜  asm_call_c ./a.out
hello
➜  asm_call_c echo $?
0

然后尝试调用有参数的 print_int。代码如下：

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    .globl print_hello, main, print_int, print_add, return_add

main:
    pushq %rbp
    movq %rsp, %rbp
    call print_hello

    movl $42, %edi
    call print_int

    movl $0, %eax
    leave
    ret

根据调用约定可知通过寄存器传递参数时，使用寄存器的顺序为RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9, XMM0–7，所以将要传递的参数放在edi中。

注意：参数传递的方式在Windows下有所不同，具体请查看前面的维基链接或查看相关文档。

编译运行如下：

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➜  asm_call_c gcc main.s print.c
➜  asm_call_c ./a.out
hello
42

可以看到结果如预期所料。

再后尝试调用两个参数的print_add：

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    .globl print_hello, main, print_int, print_add, return_add

main:
    pushq %rbp
    movq %rsp, %rbp
    call print_hello

    movl $42, %edi
    call print_int

    movl $2, %esi
    movl $1, %edi
    call print_add

    movl $0, %eax
    leave
    ret

在 C 语言中，参数一般是从右向左压栈，所以此处先对esi进行赋值，再对edi进行赋
值，为与其一致。编译运行如下：

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➜  asm_call_c gcc main.s print.c && ./a.out 
hello
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a: 1, b: 2, a+b: 3

可以看到 a、b 得到了相应的赋值，结果也是正确的。

最后，我们尝试调用有返回值的return_add，代码如下：

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    .globl print_hello, main, print_int, print_add, return_add

main:
    pushq %rbp
    movq %rsp, %rbp
    call print_hello

    movl $42, %edi
    call print_int

    movl $2, %esi
    movl $1, %edi
    call print_add

    movl $4, %esi
    movl $3, %edi
    call return_add   ; 调用有返回值的加法
    movl %eax, %edi
    call print_int    ; 调用 print_int 打印返回值

    movl $0, %eax
    leave
    ret

运行结果如下：

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➜  asm_call_c gcc main.s print.c && ./a.out
hello
42
a: 1, b: 2, a+b: 3
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这里注意，函数的返回值是通过eax传递的，这也是约定。

结语

本文尝试了在汇编代码中调用几种简单的 C 语言函数，当然这是非常简单的情形，尚不包
括比较复杂的如：参数个数多于 6 个，参数或返回值为浮点数，参数或返回值为结构体等
情况，不过也可以管中窥豹了。更复杂的情形可以通过查看编译器产生的汇编代码来了解，
不必非要自己写汇编程序。

在 Linux gcc 环境下，可以通过命令

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gcc -S test.c

这条命令会产生一个名为test.s的文件，也可以通过-o file_name来指定输出文件名。

References

x86 calling conventions
C 语言函数调用栈(一)

第二篇文章对 C 语言函数的调用过程及堆栈状态和约定有非常清楚的描述，还有很好的图片
说明，强烈推荐。

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