4.0 利用子程序與中斷

已經(jīng)掌握了匯編語言？沒錯,，你現(xiàn)在已經(jīng)可以去破譯別人代碼中的秘密,。然而，我們還有一件重要的東西沒有提到,，那就是自程序和中斷,。這兩件東西是如此的重要，以至于你的程序幾乎不可能離開它們,。

4.1 子程序

在高級語言中我們經(jīng)常要用到子程序,。高級語言中，子程序是如此的神奇,，我們能夠定義和主程序,，或其他子程序一樣的變量名，而訪問不同的變量,，并且,，還不和程序的其他部分相沖突。

然而遺憾的是,，這種“優(yōu)勢”在匯編語言中是不存在的,。

匯編語言并不注重如何減輕程序員的負擔,；相反，匯編語言依賴程序員的良好設計,，以期發(fā)揮CPU的最佳性能,。匯編語言不是結(jié)構化的語言，因此,，它不提供直接的“局部變量”,。如果需要“局部變量”，只能通過堆或棧自行實現(xiàn),。

從這個意義上講,，匯編語言的子程序更像GWBASIC中的GOSUB調(diào)用的那些“子程序”。所有的“變量”(本質(zhì)上,，屬于進程的內(nèi)存和寄存器)為整個程序所共享,，高級語言編譯器所做的，將局部變量放到堆或棧中的操作,，只能自行實現(xiàn),。

參數(shù)的傳遞是靠寄存器和堆棧來完成的。高級語言中,，子程序(函數(shù),、過程，或類似概念的東西)依賴于堆和棧來傳遞,。

讓我們來簡單地分析一下一般高級語言的子程序的執(zhí)行過程,。無論C、C++,、BASIC,、Pascal，這一部分基本都是一致的,。

調(diào)用者將子程序執(zhí)行完成時應返回的地址,、參數(shù)壓入堆棧 子程序使用BP指針+偏移量對棧中的參數(shù)尋址，并取出,、完成操作 子程序使用RET或RETF指令返回,。此時，CPU將IP置為堆棧中保存的地址,，并繼續(xù)予以執(zhí)行

毋庸置疑,，堆棧在整個過程中發(fā)揮著非常重要的作用。不過,，本質(zhì)上對子程序最重要的還是返回地址,。如果子程序不知道這個地址，那么系統(tǒng)將會崩潰,。

調(diào)用子程序的指令是CALL,，對應的返回指令是RET,。此外，還有一組指令,，即ENTER和LEAVE,，它們可以幫助進行堆棧的維護。

CALL指令的參數(shù)是被調(diào)用子程序的地址,。使用宏匯編的時候,，這通常是一個標號。CALL和RET,，以及ENTER和LEAVE配對，可以實現(xiàn)對于堆棧的自動操作,，而不需要程序員進行PUSH/POP,，以及跳轉(zhuǎn)的操作，從而提高了效率,。

作為一個編譯器的實現(xiàn)實例,，我用Visual C++編譯了一段C++程序代碼，這段匯編代碼是使用特定的編譯選項得到的結(jié)果,，正常的RELEASE代碼會比它精簡得多,。包含源代碼的部分反匯編結(jié)果如下(取自Visual C++調(diào)試器的運行結(jié)果，我刪除了10條int 3指令,，并加上了一些注釋,，除此之外，沒有做任何修改)：

1: int myTransform(int nInput){
00401000 push ebp　　　　　　　　　 ; 保護現(xiàn)場原先的EBP指針
00401001 mov ebp,esp
2: return (nInput*2 + 3) % 7;
00401003 mov eax,dword ptr [nInput] ; 取參數(shù)
00401006 lea eax,[eax+eax+3]　　　　; LEA比ADD加法更快
0040100A cdq　　　　　　　　　　　　; DWORD->QWORD(擴展字長)
0040100B mov ecx,7　　　　　　　　　; 除數(shù)
00401010 idiv eax,ecx　　　　　　　 ; 除
00401012 mov eax,edx　　　　　　　　; 商->eax(eax中保存返回值)
3: }
00401014 pop ebp　　　　　　　　　　; 恢復現(xiàn)場的ebp指針
00401015 ret　　　　　　　　　　　　; 返回
; 此處刪除10條int 3指令,，它們是方便調(diào)試用的,，并不影響程序行為。
4:
5: int main(int argc, char* argv[])
6: {
00401020 push ebp　　　　　　　　　 ; 保護現(xiàn)場原先的EBP指針
00401021 mov ebp,esp
00401023 sub esp,10h　　　　　　　　; 為取argc, argv修正堆棧指針,。
7: int a[3];
8: for(register int i=0; i<3; i++){
00401026 mov dword ptr [i],0　　　　; 0->i
0040102D jmp main+18h (00401038)　　; 判斷循環(huán)條件
0040102F mov eax,dword ptr [i]　　　; i->eax
00401032 add eax,1　　　　　　　　　; eax ++
00401035 mov dword ptr [i],eax　　　; eax->i
00401038 cmp dword ptr [i],3　　　　; 循環(huán)條件: i與3比較
0040103C jge main+33h (00401053)　　; 如果不符合條件,，則應結(jié)束循環(huán)
9: a[i] = myTransform(i);
0040103E mov ecx,dword ptr [i]　　　; i->ecx
00401041 push ecx　　　　　　　　　 ; ecx (i) -> 堆棧
00401042 call myTransform (00401000); 調(diào)用myTransform
00401047 add esp,4　　　　　　　　　; esp+=4: 在堆中的新單元
　　　　　　　　　　　　　　　　　　; 準備存放返回結(jié)果
0040104A mov edx,dword ptr [i]　　　; i->edx
0040104D mov dword ptr a[edx*4],eax ; 將eax(myTransform返回值)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　; 放回a[i]
10: }
00401051 jmp main+0Fh (0040102f)　　; 計算i++，并繼續(xù)循環(huán)
11: return 0;
00401053 xor eax,eax　　　　　　　　; 返回值應該是0
12: }
00401055 mov esp,ebp　　　　　　　　; 恢復堆棧指針
00401057 pop ebp　　　　　　　　　　; 恢復BP
00401058 ret　　　　　　　　　　　　; 返回調(diào)用者(C++運行環(huán)境)

上述代碼確實做了一些無用功,，當然,，這是因為編譯器沒有對這段代碼進行優(yōu)化。讓我們來關注一下這段代碼中,，是如何調(diào)用子程序的,。不考慮myTransform這個函數(shù)實際進行的數(shù)值運算，最讓我感興趣的是這一行代碼：

00401003 mov eax,dword ptr [nInput] ; 取參數(shù)

這里nInput是一個簡簡單單的變量符號嗎,？Visual C++的調(diào)試器顯然不能告訴我們答案——它的設計目標是為了方便程序調(diào)試,，而不是向你揭示編譯器生成的代碼的實際構造。我用另外一個反匯編器得到的結(jié)果是：

00401003 mov eax,dword ptr [ebp+8] 　; 取參數(shù)

這和我們在main()中看到的壓棧順序是完全吻合的(注意,，程序運行到這個地方的時候,，EBP=ESP),。main()最終將i的值通過堆棧傳遞給了myTransform()。

剖析上面的程序只是說明了我前面所提到的子程序的一部分用法,。對于匯編語言來說,，完全沒有必要拘泥于結(jié)構化程序設計的框架(在今天，使用匯編的主要目的在于提高執(zhí)行效率,，而不是方便程序的維護和調(diào)試,，因為匯編不可能在這一點上做得比C++更好)?？紤]下面的程序：

void myTransform1(int nCount, char* sBytes){
　for(register int i=1; i<nCount; i++)
　　sBytes[i] += sBytes[i-1];
　for(i=0; i<nCount; i++)
　　sBytes[i] <<= 1;
}
void myTransform2(int nCount, char* sBytes){
　for(register int i=0; i<nCount; i++)
　　sBytes[i] <<= 1;
}

很容易看出,，這兩個函數(shù)包含了公共部分，即

for(i=0; i<nCount; i++)
　　sBytes[i] <<= 1;

目前,，還沒有編譯器能夠做到將這兩部分合并,。依然沿用剛才的編譯選項，得到的反匯編結(jié)果是(同樣地刪除了int 3)：

1: void myTransform1(int nCount, char* sBytes){
00401000 push ebp
00401001 mov ebp,esp
00401003 push ecx
2: for(register int i=1; i<nCount; i++)
00401004 mov dword ptr [i],1
0040100B jmp myTransform1+16h (00401016)
0040100D mov eax,dword ptr [i]
00401010 add eax,1
00401013 mov dword ptr [i],eax
00401016 mov ecx,dword ptr [i]
00401019 cmp ecx,dword ptr [nCount]
0040101C jge myTransform1+3Dh (0040103d)
3: sBytes[i] += sBytes[i-1];
0040101E mov edx,dword ptr [sBytes]
00401021 add edx,dword ptr [i]
00401024 movsx eax,byte ptr [edx-1]
00401028 mov ecx,dword ptr [sBytes]
0040102B add ecx,dword ptr [i]
0040102E movsx edx,byte ptr [ecx]
00401031 add edx,eax
00401033 mov eax,dword ptr [sBytes]
00401036 add eax,dword ptr [i]
00401039 mov byte ptr [eax],dl
0040103B jmp myTransform1+0Dh (0040100d)
4: for(i=0; i<nCount; i++)
0040103D mov dword ptr [i],0
00401044 jmp myTransform1+4Fh (0040104f)
00401046 mov ecx,dword ptr [i]
00401049 add ecx,1
0040104C mov dword ptr [i],ecx
0040104F mov edx,dword ptr [i]
00401052 cmp edx,dword ptr [nCount]
00401055 jge myTransform1+6Bh (0040106b)
5: sBytes[i] <<= 1;
00401057 mov eax,dword ptr [sBytes]
0040105A add eax,dword ptr [i]
0040105D mov cl,byte ptr [eax]
0040105F shl cl,1
00401061 mov edx,dword ptr [sBytes]
00401064 add edx,dword ptr [i]
00401067 mov byte ptr [edx],cl
00401069 jmp myTransform1+46h (00401046)
6: }
0040106B mov esp,ebp
0040106D pop ebp
0040106E ret
7:
8: void myTransform2(int nCount, char* sBytes){
00401070 push ebp
00401071 mov ebp,esp
00401073 push ecx
9: for(register int i=0; i<nCount; i++)
00401074 mov dword ptr [i],0
0040107B jmp myTransform2+16h (00401086)
0040107D mov eax,dword ptr [i]
00401080 add eax,1
00401083 mov dword ptr [i],eax
00401086 mov ecx,dword ptr [i]
00401089 cmp ecx,dword ptr [nCount]
0040108C jge myTransform2+32h (004010a2)
10: sBytes[i] <<= 1;
0040108E mov edx,dword ptr [sBytes]
00401091 add edx,dword ptr [i]
00401094 mov al,byte ptr [edx]
00401096 shl al,1
00401098 mov ecx,dword ptr [sBytes]
0040109B add ecx,dword ptr [i]
0040109E mov byte ptr [ecx],al
004010A0 jmp myTransform2+0Dh (0040107d)
11: }
004010A2 mov esp,ebp
004010A4 pop ebp
004010A5 ret
12:
13: int main(int argc, char* argv[])
14: {
004010B0 push ebp
004010B1 mov ebp,esp
004010B3 sub esp,0CCh
15: char a[200];
16: for(register int i=0; i<200; i++)a[i]=i;
004010B9 mov dword ptr [i],0
004010C3 jmp main+24h (004010d4)
004010C5 mov eax,dword ptr [i]
004010CB add eax,1
004010CE mov dword ptr [i],eax
004010D4 cmp dword ptr [i],0C8h
004010DE jge main+45h (004010f5)
004010E0 mov ecx,dword ptr [i]
004010E6 mov dl,byte ptr [i]
004010EC mov byte ptr a[ecx],dl
004010F3 jmp main+15h (004010c5)
17: myTransform1(200, a);
004010F5 lea eax,[a]
004010FB push eax
004010FC push 0C8h
00401101 call myTransform1 (00401000)
00401106 add esp,8
18: myTransform2(200, a);
00401109 lea ecx,[a]
0040110F push ecx
00401110 push 0C8h
00401115 call myTransform2 (00401070)
0040111A add esp,8
19: return 0;
0040111D xor eax,eax
20: }
0040111F mov esp,ebp
00401121 pop ebp
00401122 ret

非常明顯地,，0040103d-0040106e和00401074-004010a5這兩段代碼存在少量的差別,，但很顯然只是對寄存器的偏好不同(編譯器在優(yōu)化時，這可能會減少堆棧操作,，從而提高性能,，但在這里只是使用了不同的寄存器而已)

對代碼進行合并的好處是非常明顯的。新的操作系統(tǒng)往往使用頁式內(nèi)存管理,。當內(nèi)存不足時,，程序往往會頻繁引發(fā)頁面失效(Page faults)，從而引發(fā)操作系統(tǒng)從磁盤中讀取一些東西,。磁盤的速度趕不上內(nèi)存的速度,，因此，這一行為將導致性能的下降,。通過合并一部分代碼,，可以減少程序的大小，這意味著減少頁面失效的可能性,，從而軟件的性能會有所提高?/p>

當然,，這樣做的代價也不算低——你的程序?qū)⒆兊秒y懂，并且難于維護,。因此,，再進行這樣的優(yōu)化之前，一定要注意：

優(yōu)化前的程序必須是正確的,。如果你不能確保這一點,，那么這種優(yōu)化必將給你的調(diào)試帶來極大的麻煩。 優(yōu)化前的程序?qū)崿F(xiàn)最好是最優(yōu)的,。仔細檢查你的設計,，看看是否已經(jīng)使用了最合適(即,，對于此程序而言最優(yōu))的算法，并且已經(jīng)在高級語言許可的范圍內(nèi)進行了最好的實現(xiàn),。 優(yōu)化最好能夠非常有效地減少程序大小(例如,，如果只是減少十幾個字節(jié)，恐怕就沒什么必要了),，或非常有效地提高程序的運行速度(如果代碼只是運行一次,，并且只是節(jié)省幾個時鐘周期，那么在多數(shù)場合都沒有意義),。否則,，這種優(yōu)化將得不償失。4.2 中斷

中斷應該說是一個陳舊的話題,。在新的系統(tǒng)中,，它的作用正在逐漸被削弱，而變成操作系統(tǒng)專用的東西,。并不是所有的計算機系統(tǒng)都提供中斷，然而在x86系統(tǒng)中,，它的作用是不可替代的,。

中斷實際上是一類特殊的子程序。它通常由系統(tǒng)調(diào)用,，以響應突發(fā)事件,。

例如，進行磁盤操作時,，為了提高性能,，可能會使用DMA方式進行操作。CPU向DMA控制器發(fā)出指令,，要求外設和內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù),，而不通過CPU。然后,，CPU轉(zhuǎn)去進行起他的操作,；當數(shù)據(jù)交換結(jié)束時，CPU可能需要進行一些后續(xù)操作,，但此時它如何才能知道DMA已經(jīng)完成了操作呢,？

很顯然不是依靠CPU去查詢狀態(tài)——這樣DMA的優(yōu)勢就不明顯了。為了盡可能地利用DMA的優(yōu)勢,，在完成DMA操作的時候,，DMA會告訴CPU“這事兒我辦完了”，然后CPU會根據(jù)需要進行處理,。

這種處理可能很復雜,，需要若干條指令來完成,。子程序是一個不錯的主意，不過,，CALL指令需要指定地址,，讓外設強迫CPU執(zhí)行一條CALL指令也違背了CPU作為核心控制單元的設計初衷?？紤]到這些,，在x86系統(tǒng)中引入了中斷向量的概念。

中斷向量表是保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)(實模式下,，是0:0開始的一段區(qū)域)的一組指針,。這組指針指向每一個中斷服務程序的地址。整個中斷向量表的結(jié)構是一個線性表,。

每一個中斷服務有自己的唯一的編號,，我們通常稱之為中斷號。每一個中斷號對應中斷向量表中的一項,，也就是一個中斷向量,。外設向CPU發(fā)出中斷請求，而CPU自己將根據(jù)當前的程序狀態(tài)決定是否中斷當前程序并調(diào)用相應的中斷服務,。

不難根據(jù)造成中斷的原因?qū)⒅袛喾譃閮深悾河布袛嗪蛙浖袛?。硬件中斷有很多分類方法，如根?jù)是否可以屏蔽分類,、根據(jù)優(yōu)先級高低分類,，等等?？紤]到這些分類并不一定科學,，并且對于我們介紹中斷的使用沒有太大的幫助，因此我并不打算太詳細地介紹它(在本教程的高級篇中,，關于加密解密的部分會提到某些硬件中斷的利用,，但那是后話)。

在設計操作系統(tǒng)時,，中斷向量的概念曾經(jīng)帶來過很大的便利,。操作系統(tǒng)隨時可能升級，這樣,，通過CALL來調(diào)用操作系統(tǒng)的服務(如果說每個程序都包含對于文件系統(tǒng),、進程表這些應該由操作系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)的直接操作的話，不僅會造成程序的臃腫,，而且不利于系統(tǒng)的安全)就顯得不太合適了——沒人能知道,，以后的操作系統(tǒng)的服務程序入口點會不會是那兒。軟件中斷的存在為解決這個問題提供了方便。

對于一臺包含了BIOS的計算機來說,，啟動的時候系統(tǒng)已經(jīng)提供了一部分服務,，例如顯示服務。無論你的BIOS,、顯示卡有多么的“個性”,，只要他們和IBM PC兼容，那么此時你肯定可以通過調(diào)用16(10h)號中斷來使用顯示服務,。調(diào)用中斷的指令是

int 中斷號
　

這將引發(fā)CPU去調(diào)用一個中斷,。CPU將保存當前的程序狀態(tài)字，清除Trap和Interrupt兩個標志,，將即將執(zhí)行的指令地址壓入堆棧,，并調(diào)用中斷服務(根據(jù)中斷向量表)。

編寫中斷服務程序不是一件容易的事情,。很多時候,，中斷服務程序必須寫成可重入代碼(或純代碼，pure code),。所謂可重入代碼是指,，程序的運行過程中可以被打斷，并由開始處再次執(zhí)行,，并且在合理的范圍內(nèi)(多次重入,，而不造成堆棧溢出等其他問題)，程序可以在被打斷處繼續(xù)執(zhí)行,，并且執(zhí)行結(jié)果不受影響。

由于在多線程環(huán)境中等其他一些地方進行程序設計時也需要考慮這個因素,，因此這里著重講一下可重入代碼的編寫,。

可重入代碼最主要的要求就是，程序不應使用某個指定的內(nèi)存地址的內(nèi)存(對于高級語言來說,，這通常是全局變量,，或?qū)ο蟮某蓡T)。如果可能的話,，應使用寄存器,，或其他方式來解決。如果不能做到這一點,，則必須在開始,、結(jié)束的時候分別禁止和啟用中斷，并且,，運行時間不能太長,。

下面用C語言分別舉一個可重入函數(shù)，和兩個非可重入函數(shù)的例子(注. 這些例子應該是在某本多線程或操作系統(tǒng)的書上看到的,，遺憾的是我想不起來是哪本書了,，在這里先感謝那位作者提供的范例)：

可重入函數(shù)：

void strcpy(char* lpszDest, char* lpszSrc){
　while(*dest++=*src++);
　*dest=0;
}

非可重入函數(shù)

char cTemp;　　　　　　　　 　　　　　　　　　// 全局變量
void SwapChar(char* lpcX, char* lpcY){
　cTemp = *lpcX; *lpcX = *lpcY; lpcY = cTemp; // 引用了全局變量,，在分享內(nèi)存的多個線程中可能造成問題
}

非可重入函數(shù)

void SwapChar2(char* lpcX, char* lpcY){
　static char cTemp;　　　　　　　　 　　　　 // 靜態(tài)變量
　cTemp = *lpcX; *lpcX = *lpcY; lpcY = cTemp; // 引用了靜態(tài)變量，在分享內(nèi)存的多個線程中可能造成問題
}

中斷利用的是系統(tǒng)的棧,。棧操作是可重入的(因為?？梢员ＷC“先進后出”)，因此,，我們并不需要考慮棧操作的重入問題,。使用宏匯編器寫出可重入的匯編代碼需要注意一些問題。簡單地說,，干脆不要用標號作為變量是一個不錯的主意,。

使用高級語言編寫可重入程序相對來講輕松一些。把持住不訪問那些全局(或當前對象的)變量,，不使用靜態(tài)局部變量,，堅持只適用局部變量，寫出的程序就將是可重入的,。

書歸正傳,，調(diào)用軟件中斷時，通常都是通過寄存器傳進,、傳出參數(shù),。這意味著你的int指令周圍也許會存在一些“幫手”，比如下面的代碼：

mov ax, 4c00h
int 21h

就是通過調(diào)用DOS中斷服務返回父進程,，并帶回錯誤反饋碼0,。其中，ax中的數(shù)據(jù)4c00h就是傳遞給DOS中斷服務的參數(shù),。

到這里,，x86匯編語言的基礎部分就基本上講完了，《簡明x86匯編語言教程》的初級篇——匯編語言基礎也就到此告一段落,。當然,，目前為止，我只是蜻蜓點水一般提到了一些學習x86匯編語言中我認為需要注意的重要概念,。許多東西,，包括全部匯編語句的時序特性(指令執(zhí)行周期數(shù)，以及指令周期中各個階段的節(jié)拍數(shù)等),、功能,、參數(shù)等等，限于個人水平和篇幅我都沒有作詳細介紹,。如果您對這些內(nèi)容感興趣,，請參考Intel和AMD兩大CPU供應商網(wǎng)站上提供的開發(fā)人員參考。

在以后的簡明x86匯編語言教程中級篇和高級篇中，我將著重介紹匯編語言的調(diào)試技術,、優(yōu)化,，以及一些具體的應用技巧，包括反跟蹤,、反反跟蹤,、加密解密、病毒與反病毒等等,。