《Low-Level Programming》读书笔记（第 5-13 章）
内容太多，所以分成多篇来记录了，书接上文。
Chapter 5：编译管线
- Page 64NASM 基本宏编译（属于“预处理阶段”，仅做简单的“宏展开”和“宏符号替换”而不考虑编程语言的语法规则）：
常量宏替换（%define）：
%define COUNT 42
mov rax, COUNT ; macro -> macro expansion;
; mov rax, 42
带参数的宏替换（%macro / %endmacro）：
%macro print 2 ; macro, taking 2 parameters;
mov rsi, %1 ; use the 1st parameter;
mov rax, 1
mov rdi, 1
mov rdx, %2 ; use the 2nd parameter;
syscall
%endmacro
section .rodata
v:
db 'YHSPY', 0
global _start
section .text
_start:
print v, 6 ; macro -> macro expansion;
mov rax, 60
xor rdi, rdi
syscall
- Page 66NASM 条件宏编译：
- 简单条件编译（%if / %elif / %else / %endif）：
%define FLAG 1
global _start
section .text
_start:
%if FLAG == 1 ; macro -> macro expansion;
mov rdi, 1
%elif FLAG == 2
mov rdi, 2
%else
xor rdi, rax
%endif
mov rax, 60
syscall
- 基于定义的条件编译（%ifdef / %ifndef）：
%define FLAG
global _start
section .text
_start:
%ifdef FLAG ; macro -> macro expansion;
mov rdi, 1
%else
xor rdi, rax
%endif
mov rax, 60
syscall
- 基于文本识别的条件编译（%ifidn / %ifidni）：
%macro pushr 1
%ifidn %1, rflags ; test if texts are identical;
pushf
%else
push %1
%endif
%endmacro
global _start
section .text
_start:
pushr rax
pushr rflags ; push lower 16 bits of EFLAGS;
xor rdi, rdi
mov rax, 60
syscall
- 基于参数类型的条件编译（%ifid / %ifstr / %ifnum）：
%macro print 1
%ifid %1 ; test whether it's an identifier?
%error "String literals are not supported yet!" ; throw an error;
%endif
%ifnum %1 ; test whether it's a number?
mov rdi, 2
%endif
%ifstr ; test whether it's a string?
mov rdi, 3
%endif
%endmacro
global _start
section .text
_start:
print 10 ; mov rdi, 2;
mov rax, 60
syscall
- Page 69NASM 下的宏定义求值规则：
- ％define 表示延迟替换。如果当前宏所引用的其他宏被重新定义，则该宏可能会在实例化之间动态地更改其展开值；
- ％xdefine 表示定义时执行替换。当前宏所引用的其他宏在定义后便直接与其绑定，即：无法动态地在实例之间更改宏展开值；
- ％assign 类似于 ％xdefine，强制求值并进行替换。若宏计算结果不是数字值，则抛出错误；
- Page 71NASM 宏重复结构：times 伪指令仅会在所有宏定义全部展开后才开始执行，因此无法用于重复使用宏定义，仅可用于重复指令执行。而我们可以使用 %rep / %endrep 宏结构来重复定义宏：
%define v 0
%define c 1
%rep 10
%assign v v + c ; v += c;
%assign c c + 1 ; increase v by 1;
%endrep
global _start
section .text
_start:
mov rdi, v ; v <- 55;
mov rax, 60
syscall
- 在循环中我们可以使用 %exitrep 直接退出整个循环结构（类似 break）。
- Page 73在宏定义中使用标签（%%<label>）：
%macro foo 1
xor rax, rax
%%start:
cmp rax, %1
je %%end ; label name can be used with directives;
inc rax
jmp %%start
%%end:
%endmacro
global _start
section .text
_start:
foo 10
mov rdi, rax
mov rax, 60
syscall
- Page 77相较于 readelf 命令，objdump 还支持对除 ELF 外的其他格式的分析，比如：ELF、COFF、MachO 甚至 Wasm（llvm-objdump）。
- Page 79以 Intel 指令集（而非 AT&T）的语法形式展示反编译的代码结果：
objdump -D -M intel-mnemonic <file>
- Page 80NASM 下的静态链接：
主文件：
extern count ; declare this as an external symbol;
global _start
section .text
_start:
mov rdi, [count]
mov rax, 60
syscall
模块文件：
global count ; declare this as a global symbol;
section .data
count:
db 10
- 只有 Global 的符号才能够跨模块共享使用。通常在 C/C++ 定义的非静态函数默认均为 Global 类型，而全局静态函数由于作用域仅限于当前的编译单元，因此为 Local 类型符号；
- Page 83NASM 下的动态链接：
主文件（main.asm）：
global _start
extern foo
section .text
_start:
mov rdi, 10
call foo
mov rdi, rax
mov rax, 60
syscall
共享库文件（mod.asm）：
extern _GLOBAL_OFFSET_TABLE_ ; PIC code;
global foo:function
section .rodata
message:
db 'Shared object wrote this', 10, 0
section .text
foo:
mov rax, 1
mov rdi, 1
mov rsi, message
mov rdx, 14
syscall
ret
- 在最后一步链接生成 ELF 可执行文件时一定要指定使用的动态链接器：
ld -o main main.o ./mod.so --dynamic-linker=/lib64/ld-linux-x86-64.so.2
- Page 87NASM 汇编实现的一个简易 Dictionary（基于 Linked List）：基本原理是使用宏自动生成的标签（%%lw）来分割每一个 Node；每个 Node 包含两部分：一部分为指向下一个节点的“指针”，另一部分为 Key-Value 结构，保存了当前节点的键值对。
%define lw 0
%macro colon 2
%%lw: dq lw
db %1, 0
xt_ %+ %2: ; use '%+' to combine macros;
%define lw %%lw ; use address of the label;
%endmacro
global _start
section .rodata
colon "tail", tail
db "tail", 0
colon "head", head
db "head", 0
section .text
_start:
mov rax, lw
; save next node addr (first 8 bytes) to rbx;
mov rbx, [rax]
add rax, 8
; print the key of the first node;
mov rsi, rax
mov rax, 1
mov rdi, 1
mov rdx, 4
syscall
; start from that addr (bypass the first 8 bytes);
add rbx, 8
mov rsi, rbx
mov rax, 1
mov rdi, 1
mov rdx, 4
syscall
xor rdi, rdi
mov rax, 60
syscall
- 用于串联两条宏指令：“％+”；
Chapter 6：中断和系统调用
- Page 91应用程序有两种可以访问 IO 端口的方式：
- 通过指令 in 和 out 来访问分离的 IO 专用地址空间（0x0 - 0xffffh）。这两个指令可用来在 eax 与 IO 端口之间交换数据；
- 通过映射到进程虚拟地址空间的 IO 专用地址来访问 IO 设备；
- Page 94每一个中断请求都带有一个 ID，以用于在内存中的“中断描述表（IDT）”查询对应的中断类型和处理程序地址。中断描述表的位置及大小信息被记录在 idtr 寄存器（64 位）中。其中低 16 位记录了大小信息；高 48 位记录了 IDT 的地址信息。
- Page 94IDT 中的每一个表项占据 16 个字节，大体结构如下：
- 其中当前的特权等级需要小于等于 DPL 字段的值，以使用 int 来调用该中断处理程序；
- 前 30 个中断号被保留，CPU 会将它们用于处理其内部事件，例如无效的指令编码。
- Page 96当第 n 号中断发生时，从程序员的角度将执行以下操作：
- 从 idtr 寄存器中获得 IDT 的地址；
- 对应的中断描述符位于 IDT 起始偏移 16 x n 字节处；
- 段选择器和中断处理程序地址从 IDT 对应条目加载到 cs 和 rip 寄存器中，可能会同时更改特权级别。旧的 ss \ rsp \ rflags \ cs 和 rip 被存储到栈中；
- 对于某些中断，一个错误代码会被推入处理程序栈的顶部，以提供有关中断原因的其他信息；
- 如果中断描述符的类型字段将其定义为 Interrupt Gate，则清除中断标志 IF。但对于 Trap Gate 来说，该标志不会被自动清除，以允许嵌套的中断处理过程；
- Page 97Intel64 使用新的 syscall / sysret 指令来进行系统调用，相比于之前的 int 指令，其优势在于：
- 权限转移只能发生在 ring0 和 ring3 之间；
- 所有的系统调用都只有一个代码入口点，而非传统
int 0x80的方式； - 通用寄存器在系统调用期间被隐式使用（如 rcx 用于存储 rip 寄存器的内容；r11 用于存储 rflags 的内容）；
Chapter 7：计算模型
（“有限自动机”的部分略。这部分内容可以直接参考斯坦福的 CS143。）
- Page 110Forth 抽象机：处理器 + 两个分别用于存储数据和返回地址的栈 + 线性内存；
Forth 程序按“字”为单位以空格或换行符进行分割，数字值表示将该数据推入栈中。有三种类型的“字”：Integer（数据）、Native（操作）、Colon（定义其他字）。符号 “:” 用于定义新的字。一个基本的用于求一元二次方程判别式的 Forth 程序的栈变化图（Stack Diagram）如下：
- Page 113基于 ITC（Indirect Threaded Code，二级指针）方式实现的 Forth Machine 基本字调用结构：
- pc 指向了每一个 Native 对应的 ET（Execution Token，汇编实现部分）；而每一个 Native 在实现的结尾处都通过调用 next 子过程来调整 pc 的位置，并将执行过程移动到下一个 ET 处；
- Colon 其实相当于子函数调用的过程，在调用之前需要先保存当前 pc 的值，然后在调用结束后把 pc 值重置；
一个简单实现：Becavalier/Forthress。
Chapter 8：C 语言
- Page 130-Wall，可用于让编译器显示所有警告信息。
- Page 131在 C 中，全局变量只能使用编译时常量来赋值；
- Page 131在大多数去情况下尽量使用 puts 来代替 printf 输出字符串。相较于 printf，puts 速度更快且没有安全漏洞。
- Page 133静态类型意味着可以在编译时知道所有变量的具体类型；弱类型意味着有时一些数据值会被隐式地转换为其他类型。
- Page 136C 中的
goto语句可用于实现“有限状态机”。
Chapter 9：C 类型系统
- Page 148int 的大小原本被设计为等同于机器字（word）的大小。直到 32bit 到 64bit 的过渡时期，为了不破坏原有应用的可用性，int 仍被保持为默认的 4 字节大小。
- Page 149long double 类型的值至少与 double 类型要保持一致，但不同编译器对待该类型的实际尺寸可能不一样。在某些 X86-32 芯片中，该尺寸可能为 80bit。
- Page 154C 中没有“数组引用”做函数参数的概念，因此在为以普通数组做参数的函数传递实参时，编译器会将数组退化（decay）为指针，从而丢失长度信息。而“数组引用”做参数时会保留参数的长度信息和数组类型。C99 引入了新的语法（静态数组参数），可以向编译器保证被传入的实参数组至少有一定数量的元素，以便以进行某些优化。
#define ARR_SIZE 10
void foo(int arr[static ARR_SIZE]) {} // a promise to compiler;
int main(int argc, char** argv) {
int arr[ARR_SIZE + 1] = {};
foo(arr);
return 0;
}
- Page 154指派初始化（C++20 里也开始支持）：
#define ARR_SIZE 10
int main(int argc, char** argv) {
int arr[ARR_SIZE] = { [5] = 29, [1] = 10};
return 0;
}
- Page 156一般情况下，请使用 size_t 类型来作为数组的索引下标。标准规定，数组类型的可索引大小由 size_t 的大小决定。
- Page 156C 标准中没有规定对负数进行位移操作时的具体实现规则。
- Page 157sizeof 不是函数，而是运算符。对应的表达式会在编译时被求值。一个最多的应用场景是将其用于对数组大小的求值。
- Page 161在使用 typedef 定义新类型时，尽量不要把多个类型混合在一起，比如不要定义新类型为一个函数指针（函数类型 + 指针类型）。指针类型可以在表达式中单独提出来，这样易于代码的理解，提高了可读性。
- Page 166一个重构前后的代码示例（很适合作为面试题）：
重构前：
#include <stdio.h>
int array[] = {1, 2, 3, 4};
int main(int argc, char** argv) {
int i;
int sum;
for (i = 0; i < 5; i++)
sum = sum + array[i];
printf("The sum is: %d\n", sum);
return 0;
}
重构后：
#include <stdio.h>
const int g_array[] = {1, 2, 3, 4}; // 变量带有语义；
// 提取通用部分；
int array_sum(const int* array, size_t count) { // 声明不可变变量；
if (array == NULL) { // 判断异常值；
return -1;
}
int sum = 0;
for (size_t i = 0; i < count; ++i) { // 限制局部变量的使用范围；
sum += array[i]; // 符合运算符的性能提升（一步好于多步，类似 super-instruction）；
} // 括号增强可维护性；
return sum;
}
int main(int argc, char** argv) {
printf("The sum is: %d\n", array_sum(g_array, sizeof(g_array) / sizeof(int)));
return 0;
}
- Page 168C 中的结构体在使用时需要配合 “struct” 关键字。如下，即 “struct pair” 整体才是一个类型。编译器会通过判断是否带有 “struct” 关键字来推断引用变量的类型是结构体还是其他符号。
#include <stdio.h>
struct pair { int x; int y; };
int main(int argc, char** argv) {
struct pair p = { .x = 10 }; // should be used by "struct pair".
int pair = 10;
return 0;
}
- Page 170C 下，Union 的一种常见的使用方式：
#include <stdio.h>
union pixel {
struct { char a, b, c; };
char at[3];
};
int main(int argc, char** argv) {
union pixel p = {'a', 'b', 'c' };
printf("%c\n", p.at[1]); // 'c'.
return 0;
}
- Page 173类似 OCaml 的静态强类型语言中，针对两整数运算（+）和两浮点数运算（+.）分别有着不同的运算符。
- Page 178C11 中新增的宏 _Generic 可以在编译时动态选择符合条件的子句（可用于模拟 C++ 中的函数重载）：
#include <stdio.h>
#define print_fmt(x) (_Generic((x), \
int: "%d", \
double: "%f", \
default: "%x"))
#define print(x) printf(print_fmt(x), x); puts("");
int main(int argc, char** argv) {
int x = 101;
double y = 10.1;
print(x);
print(y);
return 0;
}
Chapter 10：代码结构
- Page 183可以在函数声明中使用 incomplete 不完全类型。
- Page 191在宏函数体内的所有变量在使用其值时均需要以括号“()”的形式包裹起来。
- Page 200静态局部变量被存放在 .data 段（同全局变量，不受栈增长和收缩的影响）中。
Chapter 11：内存
- Page 203ptrdiff_t / std::ptrdiff_t 类型为两个指针相减的结果值类型。两个指针相减的结果值并不是字节数，而是指针所指类型数据的个数。ptrdiff_t（signed）的长度是平台相关的，因此使用时要注意隐式类型转换可能带来的一些问题。
- Page 203两个指针类型变量之间不能进行加法、乘法和除法操作。
- Page 208第一类对象（First-class Object）：指某个实体的值其可以被作为函数参数、函数返回值，或者赋值给某个变量；二等对象（Second-class Object）：某个实体的值仅能够作为函数参数（比如 C 中的函数）。
- Page 209可变长度数组（VLA）：数组长度可以在运行时决定（C99）。
#include <stdio.h>
#define DEFAULT_INDEX 0
int main(int argc, char **argv) {
int arrSize = 10;
int arr[arrSize];
arr[DEFAULT_INDEX] = 1;
printf("%d\n", arr[DEFAULT_INDEX]);
return 0;
}
- Page 209灵活（柔性）数组类型：结构体中的最后一个元素允许是未知大小的数组，而
sizeof返回这种结构体的大小时不包括柔性数组占用的内存（C99）。对于 C++ 来说，某些编译器会以“扩展”的方式支持该特性。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#define ARR_SIZE 10
typedef struct int_array {
size_t size;
int array[]; // FAM (Flexible Array Member);
} t_int_array;
int main(int argc, char **argv) {
t_int_array* arr = malloc(sizeof(t_int_array) + sizeof(int) * ARR_SIZE);
arr->size = ARR_SIZE;
memset(arr->array, 0, ARR_SIZE * sizeof(int));
for (int i = 0; i < ARR_SIZE; ++i) {
printf("%d\n", arr->array[i]);
}
return 0;
}
- Page 212对于较短的字符串，编译器通常会将其直接 inline 到指令中作为立即数。对于较长的字符串，通常会被事先存放到 .rodata 段中，然后在使用到时再通过指令拷贝到栈上。
- Page 213不同平台体系上的数据模型：
- Page 214使用“平台无关类型”（uint8_t \ int64_t \ int16_t 等）：
#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>
int main(int argc, char **argv) {
int64_t i64 = -10;
uint64_t u64 = 100;
printf("%" PRIi64 "\n", i64); // 'PRIi64' 为格式化输出字符串对应的宏；
printf("%" PRIu64 "\n", u64);
return 0;
}
Chapter 12：语法、语义和语用学
（略）
Chapter 13：良好的编码习惯
- Page 247可以使用 Doxygen 来为 C/C++ 源码创建 HTML 或 LATEX 格式的文档。
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