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C与汇编语言混合使用

前言

在某些情况下,我们可能会将C代码与汇编代码一起混合使用。比如,使用汇编代码直接与硬件进行交互,或者在处理任务时希望占用尽量少的资源同时获得最大的性能,而使用C代码处理一些更高级 的任务。通常情况下,混合使用C与汇编可分为以下三种情形:

  • 在C中调用汇编中定义的函数
  • 在汇编中调用C语言中的函数
  • 直接在C语言中嵌入汇编

在介绍C与汇编混合使用之前,先介绍一下在Linux系统中进行系统调用时传参的约定,以及在进行函数调用时的传参约定。

Linux 系统调用约定

系统调用是用户程序与Linux 内核之间的接口,用于让内核执行一些系统任务,如文件访问、进程管理及网络任务等。在Linux中,有多种方式可以用于进行系统调用,这里只介绍通过使用int $0x80syscall产生软中断来进行系统调用的方式。该方法比较简单直观,方便在汇编代码中进行系统调用。

int $0x80

在Linux x86 和Linux x86_64中,可以直接使用int $0x80命令来进行系统调用。以Linux x86为例,参数传递规则如下,其中返回值通过寄存器eax返回。

系统调用号参数1参数2参数3参数4参数5参数6返回值
eaxebxecxedxesiediebpeax

系统调用号可以在/usr/include/asm/unistd_32.h文件中查看。在系统调用过程中,所有寄存器的值都会保持不变(除了eax用于返回值)。

由于在Linux x86_64上,寄存器的名称发生了变化,其参数传递规则见下面

syscall

在Linux x86_64中引入了一条新的指令syscall,与int $0x80相比,由于不需要访问中断描述符表,所以会更快。其参数传递规则如下,其中返回值通过寄存器rax返回。

系统调用号参数1参数2参数3参数4参数5参数6返回值
raxrdirsirdxr10r8r9rax

系统调用号可以在/usr/include/asm/unistd_64.h文件中查看。在系统调用过程中,会改变寄存器rcxr11的内容,其他寄存器的内容会保持不变(除了rax用于返回值)。

函数调用传参约定

在Linux x86中,使用gcc编译器进行程序编译时,函数调用时的参数传递规则如下:

  • 函数参数通过栈传递,按照从右往左的顺序入栈;
  • 函数返回值保存在寄存器eax中。

在Linux x86_64中,函数调用时的参数传递规则如下:

  • 前6个参数按从左往右的顺序分别通过寄存器rdirsirdxrcxr8r9,剩下的参数按从右往左的顺序通过栈传递;
  • 函数返回值保存在寄存器rax中。

函数调用时的参数传递规则实际上与函数调用约定有关,与编译器无关,常见的函数调用约定包括c调用约定std调用约定x86 fastcall约定以及C++调用约定等。gcc编译器采用的c调用约定。

在C中调用汇编中定义的函数

以Linux x86为例,用汇编语言编写一个hello_world函数,输出”Hello, World!\n”为例,其不需要任何参数,同时也没有返回值,相应的汇编代码如下:

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.globl hello_world
.type hello_world, @function
.section .data
message: .ascii "Hello, World!\n"
length: .int . - message
.section .text
hello_world:
mov $4, %eax
mov $1, %ebx
mov $message, %ecx
mov length, %edx
int $0x80
ret

由于使用gcc进行编译,因此汇编代码中使用AT&T语法。如果在用gcc编译时加上-masm=intel选项,则可以使用intel语法。当然,也可以使用nasm对汇编语言进行汇编,然后使用gcc完成链接过程,可参考这里

然后编写一个C程序调用该函数,如下:

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extern void hello_world();

void main()
{
hello_world();
}

使用gcc进行编译,命令如下:

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gcc -m32 hello_world.c hello_world.s -o hello_world

下面通过参数传递将”Hello World!”传入到汇编代码中,修改如下:

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.globl hello_world
.type hello_world, @function
.section .text
hello_world:
mov $4, %eax
mov $1, %ebx
mov 4(%esp), %ecx
mov $0xd, %edx
int $0x80
ret

对应的C程序如下:

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extern void hello_world(char* value);

void main()
{
hello_world("Hello World!\n");
}

在汇编中调用C中的函数

printf为例,通过在汇编代码中调用printf()函数,示例代码如下:

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.extern printf
.globl main
.section .data
message: .ascii "hello,world!\n"
format: .ascii "%s"
.section .text
main:
push $message
push $format
mov $0, %eax
call printf
add $0x8, %esp
ret

使用gcc编译如下:

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gcc hello_world.s -o hello_world
  1. 使用gcc编译汇编代码时,开始符号不再是_start而是main。由于main是一个函数,所以在最后必须要有ret指令;
  2. 在调用函数之前,寄存器eax/rax的值必须设为0。

在C中嵌入汇编

最直接的方式是在C程序中嵌入汇编代码,以Linux x86_64为例,示例代码如下:

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#include <stdio.h>

int sum(int a, int b)
{
asm("addl %edi, %esi");
asm("movl %esi, %eax");
}

int main()
{
printf("%d\n", sum(2, 3));
return 0;
}

在上面的示例代码中,也可以将多条汇编指令写在一起,如下:

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asm(
"addl %edi, %esi\n\r"
"movl %esi, %eax\n\r"
);

由于gcc编译器在进行解析时是先将汇编指令打印到一个文件中,所以需要带上格式化控制串。

小结

对Linux平台下的系统调用及函数调用时的传参约定进行了介绍,同时简单介绍了C与汇编语言混合使用的三种情形。

如果想要进行更深入的理解,可自行查阅网上的相关资料。

相关链接

  • Mixing Assembly and C
  • How to Mix C and Assembly
  • Linux System Calls
  • X86 Assembly/Interfacing with Linux