作者：阮一峰
鏈接：http://www.ruanyifeng.com/blog/2018/01/
之前，嵌入式Arm曾經發送過一篇名《給跪了！來看看雷軍 1994 年寫的代碼，經典老古董（附完整代碼）》為的文章，文章中講述了在 2011 年的時候，我們在微博轉過雷軍在 1994 年寫的一段完整的匯編代碼。雷軍這段匯編代碼，有程序員評價「如今能寫出這么高質量的代碼的程序員恐怕也不多」。這篇文章就著重講解一下匯編語言！
學習編程其實就是學高級語言，即那些為人類設計的計算機語言。
但是，計算機不理解高級語言，必須通過編譯器轉成二進制代碼，才能運行。學會高級語言，并不等于理解計算機實際的運行步驟。
計算機真正能夠理解的是低級語言，它專門用來控制硬件。匯編語言就是低級語言，直接描述/控制 CPU 的運行。如果你想了解 CPU 到底干了些什么，以及代碼的運行步驟，就一定要學習匯編語言。
匯編語言不容易學習，就連簡明扼要的介紹都很難找到。下面我嘗試寫一篇最好懂的匯編語言教程，解釋 CPU 如何執行代碼。
這些指令都是二進制的，稱為操作碼（opcode），比如加法指令就是00000011。編譯器的作用，就是將高級語言寫好的程序，翻譯成一條條操作碼。
對于人類來說，二進制程序太難閱讀了，通過代碼根本看不出來機器干了什么。為了解決可讀性的問題，以及偶爾的編輯需求，就誕生了匯編語言。
匯編語言是二進制指令的文本形式，與二進制指令是一一對應的關系。比如，加法指令00000011寫成匯編語言就是 ADD。只要還原成二進制，匯編語言就可以被 CPU 直接執行，所以它是最底層的低級語言。
最早的時候，編寫程序就是手寫二進制指令，然后通過各種開關輸入計算機，比如要做加法了，就按一下加法開關。后來，發明了紙帶打孔機，通過在紙帶上打孔，將二進制指令自動輸入計算機。
為了解決二進制指令的可讀性問題，工程師將那些指令寫成了八進制。二進制轉八進制是輕而易舉的，但是八進制的可讀性也不行。很自然地，最后還是用文字表達，加法指令寫成 ADD。內存地址也不再直接引用，而是用標簽表示。
這樣的話，就多出一個步驟，要把這些文字指令翻譯成二進制，這個步驟就稱為 assembling，完成這個步驟的程序就叫做 assembler。它處理的文本，自然就叫做 aseembly code。標準化以后，稱為 assembly language，縮寫為 asm，中文譯為匯編語言。
每一種 CPU 的機器指令都是不一樣的，因此對應的匯編語言也不一樣。本文介紹的是目前最常見的 x86 匯編語言，即 Intel 公司的 CPU 使用的那一種。
學習匯編語言，首先必須了解兩個知識點：寄存器和內存模型。
先來看寄存器。CPU 本身只負責運算，不負責儲存數據。數據一般都儲存在內存之中，CPU 要用的時候就去內存讀寫數據。但是，CPU 的運算速度遠高于內存的讀寫速度，為了避免被拖慢，CPU 都自帶一級緩存和二級緩存。基本上，CPU 緩存可以看作是讀寫速度較快的內存。
但是，CPU 緩存還是不夠快，另外數據在緩存里面的地址是不固定的，CPU 每次讀寫都要尋址也會拖慢速度。因此，除了緩存之外，CPU 還自帶了寄存器（register），用來儲存最常用的數據。也就是說，那些最頻繁讀寫的數據（比如循環變量），都會放在寄存器里面，CPU 優先讀寫寄存器，再由寄存器跟內存交換數據。
寄存器不依靠地址區分數據，而依靠名稱。每一個寄存器都有自己的名稱，我們告訴 CPU 去具體的哪一個寄存器拿數據，這樣的速度是最快的。有人比喻寄存器是 CPU 的零級緩存。
EAX
EBX
ECX
EDX
EDI
ESI
EBP
ESP
上面這8個寄存器之中，前面七個都是通用的。ESP 寄存器有特定用途，保存當前 Stack 的地址。
我們常常看到 32位 CPU、64位 CPU 這樣的名稱，其實指的就是寄存器的大小。32 位 CPU 的寄存器大小就是4個字節。
程序運行的時候，操作系統會給它分配一段內存，用來儲存程序和運行產生的數據。這段內存有起始地址和結束地址，比如從0x1000到0x8000，起始地址是較小的那個地址，結束地址是較大的那個地址。
程序運行過程中，對于動態的內存占用請求（比如新建對象，或者使用malloc命令），系統就會從預先分配好的那段內存之中，劃出一部分給用戶，具體規則是從起始地址開始劃分（實際上，起始地址會有一段靜態數據，這里忽略）。舉例來說，用戶要求得到10個字節內存，那么從起始地址0x1000開始給他分配，一直分配到地址0x100A，如果再要求得到22個字節，那么就分配到0x1020。
這種因為用戶主動請求而劃分出來的內存區域，叫做 Heap（堆）。它由起始地址開始，從低位（地址）向高位（地址）增長。Heap 的一個重要特點就是不會自動消失，必須手動釋放，或者由垃圾回收機制來回收。
請看下面的例子。
int main() {
int a = 2;
int b = 3;
}
上面代碼中，系統開始執行main函數時，會為它在內存里面建立一個幀（frame），所有main的內部變量（比如a和b）都保存在這個幀里面。main函數執行結束后，該幀就會被回收，釋放所有的內部變量，不再占用空間。
如果函數內部調用了其他函數，會發生什么情況？
int main() {
int a = 2;
int b = 3;
return add_a_and_b(a, b);
}
上面代碼中，main函數內部調用了add_a_and_b函數。執行到這一行的時候，系統也會為add_a_and_b新建一個幀，用來儲存它的內部變量。也就是說，此時同時存在兩個幀：main和add_a_and_b。一般來說，調用棧有多少層，就有多少幀。
等到add_a_and_b運行結束，它的幀就會被回收，系統會回到函數main剛才中斷執行的地方，繼續往下執行。通過這種機制，就實現了函數的層層調用，并且每一層都能使用自己的本地變量。
所有的幀都存放在 Stack，由于幀是一層層疊加的，所以 Stack 叫做棧。生成新的幀，叫做"入棧"，英文是 push；棧的回收叫做"出棧"，英文是 pop。Stack 的特點就是，最晚入棧的幀最早出棧（因為最內層的函數調用，最先結束運行），這就叫做"后進先出"的數據結構。每一次函數執行結束，就自動釋放一個幀，所有函數執行結束，整個 Stack 就都釋放了。
Stack 是由內存區域的結束地址開始，從高位（地址）向低位（地址）分配。比如，內存區域的結束地址是0x8000，第一幀假定是16字節，那么下一次分配的地址就會從0x7FF0開始；第二幀假定需要64字節，那么地址就會移動到0x7FB0。
int add_a_and_b(int a, int b) {
return a + b;
}
int main() {
return add_a_and_b(2, 3);
}
gcc 將這個程序轉成匯編語言。
$ gcc -S example.c
上面的命令執行以后，會生成一個文本文件example.s，里面就是匯編語言，包含了幾十行指令。這么說吧，一個高級語言的簡單操作，底層可能由幾個，甚至幾十個 CPU 指令構成。CPU 依次執行這些指令，完成這一步操作。
example.s經過簡化以后，大概是下面的樣子。
_add_a_and_b:
push %ebx
mov %eax, [%esp+8]
mov %ebx, [%esp+12]
add %eax, %ebx
pop %ebx
ret
_main:
push 3
push 2
call _add_a_and_b
add %esp, 8
ret
可以看到，原程序的兩個函數add_a_and_b和main，對應兩個標簽_add_a_and_b和_main。每個標簽里面是該函數所轉成的 CPU 運行流程。
每一行就是 CPU 執行的一次操作。它又分成兩部分，就以其中一行為例。
push %ebx
這一行里面，push是 CPU 指令，%ebx是該指令要用到的運算子。一個 CPU 指令可以有零個到多個運算子。
下面我就一行一行講解這個匯編程序，建議讀者最好把這個程序，在另一個窗口拷貝一份，省得閱讀的時候再把頁面滾動上來。
push 指令
根據約定，程序從_main標簽開始執行，這時會在 Stack 上為main建立一個幀，并將 Stack 所指向的地址，寫入 ESP 寄存器。后面如果有數據要寫入main這個幀，就會寫在 ESP 寄存器所保存的地址。
然后，開始執行第一行代碼。
push 3
push指令用于將運算子放入 Stack，這里就是將3寫入main這個幀。
雖然看上去很簡單，push指令其實有一個前置操作。它會先取出 ESP 寄存器里面的地址，將其減去4個字節，然后將新地址寫入 ESP 寄存器。使用減法是因為 Stack 從高位向低位發展，4個字節則是因為3的類型是int，占用4個字節。得到新地址以后， 3 就會寫入這個地址開始的四個字節。
push 2
第二行也是一樣，push指令將2寫入main這個幀，位置緊貼著前面寫入的3。這時，ESP 寄存器會再減去 4個字節（累計減去8）。
call 指令
第三行的call指令用來調用函數。
call _add_a_and_b
上面的代碼表示調用add_a_and_b函數。這時，程序就會去找_add_a_and_b標簽，并為該函數建立一個新的幀。
下面就開始執行_add_a_and_b的代碼。
push %ebx
這一行表示將 EBX 寄存器里面的值，寫入_add_a_and_b這個幀。這是因為后面要用到這個寄存器，就先把里面的值取出來，用完后再寫回去。
這時，push指令會再將 ESP 寄存器里面的地址減去4個字節（累計減去12）。
mov 指令
mov指令用于將一個值寫入某個寄存器。
mov %eax, [%esp+8]
這一行代碼表示，先將 ESP 寄存器里面的地址加上8個字節，得到一個新的地址，然后按照這個地址在 Stack 取出數據。根據前面的步驟，可以推算出這里取出的是2，再將2寫入 EAX 寄存器。
下一行代碼也是干同樣的事情。
mov %ebx, [%esp+12]
上面的代碼將 ESP 寄存器的值加12個字節，再按照這個地址在 Stack 取出數據，這次取出的是3，將其寫入 EBX 寄存器。
add 指令
add指令用于將兩個運算子相加，并將結果寫入第一個運算子。
add %eax, %ebx
上面的代碼將 EAX 寄存器的值（即2）加上 EBX 寄存器的值（即3），得到結果5，再將這個結果寫入第一個運算子 EAX 寄存器。
pop 指令
pop指令用于取出 Stack 最近一個寫入的值（即最低位地址的值），并將這個值寫入運算子指定的位置。
pop %ebx
上面的代碼表示，取出 Stack 最近寫入的值（即 EBX 寄存器的原始值），再將這個值寫回 EBX 寄存器（因為加法已經做完了，EBX 寄存器用不到了）。
注意，pop指令還會將 ESP 寄存器里面的地址加4，即回收4個字節。
ret 指令
ret指令用于終止當前函數的執行，將運行權交還給上層函數。也就是，當前函數的幀將被回收。
ret
可以看到，該指令沒有運算子。
隨著add_a_and_b函數終止執行，系統就回到剛才main函數中斷的地方，繼續往下執行。
add %esp, 8
上面的代碼表示，將 ESP 寄存器里面的地址，手動加上8個字節，再寫回 ESP 寄存器。這是因為 ESP 寄存器的是 Stack 的寫入開始地址，前面的pop操作已經回收了4個字節，這里再回收8個字節，等于全部回收。
ret最后，main函數運行結束，ret指令退出程序執行。
-END-
推薦閱讀
