汇编和内存

2022-11-03 09:13:04 浏览数 (2)

# 汇编和内存

你已经开了汇编学习的旅程，并且在前几章中你已经学习了汇编调用的一些黑魔法，你现在知道了，当一个函数被调用，他的参数和返回值是如何传递的。但是您还没学到的是将代码加载到内存后如何执行代码。

在本章中，您将探索程序的执行方式。 您将看到一个特殊的寄存器，该寄存器用于告诉处理器应该从何处读取下一条指令，以及不同大小和内存分组如何产生截然不同的结果。

# 设置英特尔风格汇编体验™

如上一章所述，显示汇编有两种主要方法。 一种类型是 AT＆T 程序集，这个也是 LLDB 的默认程序集。 这种格式具有以下格式：

代码语言：javascript复制
opcode（操作码）  source（源）  destination（目的地）

看一个具体的例子

代码语言：javascript复制
movq  $0x78, %rax

这个操作会将十六进制值 0x78 移动到 RAX 寄存器中。 尽管这种汇编形式对某些人来说很不错，但从现在开始，您将使用英特尔的表示形式。

注意：汇编的选择有点像一场大战，有的人说用 Inter 的格式，有的说是用 AT&T 的格式，在 StackOverflow 中查看以下讨论 选择使用英特尔是因为大家都觉得英特尔在阅读方面更好，但有时在写作方面更差。 由于您正在学习调试，因此大部分时间是在阅读汇编而不是编写汇编。

把以下的两行内容添加进 ~/.lldbinit file 文件底部

  • settings set target.x86-disassembly-flavor intel
  • settings set target.skip-prologue false

第一行告诉 LLDB 以 Intel 风格显示 x86 汇编（32 位和 64 位）。 第二行告诉 LLDB 不要跳过函数序言。 您在本书的前面已经了解了这一点，从现在开始，请不要跳过序言，因为您将直接从函数的第一条指令检查汇编。

<font color=#0099ff size=3 face="黑体"> 关于函数序言和函数尾声可以再参考这篇文章 </font>

<font color=#DC143C size=3 face="黑体"> 注意：在编辑〜/.lldbinit 文件时，请确保您不使用 TextEdit 之类的程序，因为它将在文件中添加不必要的字符，这可能导致 LLDB 无法正确解析该文件。 一种简单（尽管很危险）的添加方法是通过如下的 Terminal 命令：echo“ settings set target.x86-disassembly-flavor intel” >>〜/.lldbinit。 确保其中有两个 “>>”，否则将覆盖〜/.lldbinit 文件中的所有先前内容。 如果您对终端机不满意，最好的选择是 nano（您之前使用过的编辑器）。</font>

英特尔风格将交换源值和目标值，删除 '％' 和 '$' 字符以及进行许多其他许多更改。 由于您还不会使用 AT＆T 语法，因此这里就不解释全部的差异，我们只单单学习 Inter 程序集就够了。

看下面的示例，就是以 Inter 风格来展示，他看起来比较干净，比较好阅读。

代码语言：javascript复制
mov  rax, 0x78

同样，这会将十六进制值 0x78 移到 RAX 寄存器中。 与前面显示的 AT＆T 风格相比，Intel 风格交换了源操作数和目标操作。 现在，目标操作数在源操作数之前。 在进行汇编时，务必始终确定正确的风格，这很重要，因为如果您不清楚要使用的风格，则可能会采取不同的操作。

从现在开始，我们就开始使用 Inter 的汇编格式了。 如果您看到以 $ 字符开头的数字十六进制常量或以％开头的寄存器，你就要把他们转换成 Inter 的形式

注：笔者反而觉得 AT&T 的风格更适合中国汉语的语法，只是前面的 % 和 $ 有些奇怪罢了

# 创建 cpx 命令

首先，您将创建自己的 LLDB 命令，之后会用到。 再次打开〜/.lldbinit（vim）。 然后将以下内容添加到文件底部：

  • command alias -H "Print value in ObjC context in hexadecimal" -h "Print in hex" -- cpx expression -f x -l objc --

cpx 是一个便捷命令，您可以使用 Objective-C 上下文以十六进制格式打印出某些内容。 尤其是在打印出寄存器内容时会用到。 请记住，寄存器在 Swift 上下文中不可用，因此您需要使用 Objective-C 上下文。 现在，您已经具有从汇编的角度探讨本章内容所需的工具！

# 位，字节和其他术语

在开始探索内存之前，您需要了解一些有关内存分组方式的词汇。

  • 位 ：可以包含 1 或 0 的值称为位。您可以说在 64 位体系结构中每个地址有 64 位。很简单。
  • 字节：当 8 位组合在一起时，它们称为字节。一个字节可以容纳多少个唯一值？您可以通过计算 2 ^ 8（从 0 开始到 255 的 256 个值）来确定。

许多信息以字节表示。例如，C 语言中 sizeof（）函数以字节为单位返回对象的大小。

如果您熟悉 ASCII 字符编码，您会想起所有 ASCII 字符都可以保存在一个字节中。 现在是时候看看实际操作中的术语并学习一些技巧。 打开 Registers macOS 应用程序，您将在本章的资源文件夹中找到该应用程序。接下来，构建并运行该应用程序。一旦运行，请暂停程序并启动 LLDB 控制台。这将导致使用非 Swift 调试上下文，因为默认情况下暂停应用程序会带来非 Swift 上下文。 在 LLDB 中键入以下内容：

  • p sizeof('A')

这将打印出组成 'A' 字符所需的字节数

代码语言：javascript复制
(unsigned long) $0 = 1

然后输入如下命令

  • p/t 'A'

你会得到

代码语言：javascript复制
(char) $1 = 0b01000001

这是 ASCII 中字符 A 的二进制表示。 显示信息字节的另一种更常见的方法是使用十六进制值。 需要两个十六进制数字以十六进制表示一个信息字节。

然后我们输入以下命令来打印出 “A” 的十六进制表示形式：

  • p/x 'A'

你将会得到

代码语言：javascript复制
(char) $2 = 0x41

十六进制非常适合查看内存，因为一个十六进制数字恰好代表 4 位。 因此，如果您有 2 个十六进制数字，则您有 1 个字节。 如果您有 8 个十六进制数字，则您有 4 个字节。 等等。 这里还有一些适用于您的术语，这些术语在以后的章节中会很有用：

  • Nybble：4 位，十六进制单个值
  • Half word：16 位或 2 个字节
  • Word：32 位或 4 个字节
  • Double word or Giant word：64 位或 8 字节。

使用此术语，您将可以探索不同的内存块。

# RIP 寄存器

当程序执行时，将要执行的代码加载到内存中。 程序中接下来要执行的代码的位置由一个非常重要的寄存器决定：RIP 或指令指针寄存器。 让我们来看看实际情况。 再次打开 “register demo” 应用程序，然后导航到 AppDelegate.swift 文件。 修改文件，使其包含以下代码：

代码语言：javascript复制
@NSApplicationMain
class AppDelegate: NSObject, NSApplicationDelegate {

func applicationWillBecomeActive(
    _ notification: Notification) {
    print("(#function)")
    self.aBadMethod()
}

func aBadMethod() {
    print("(#function)")
}

func aGoodMethod() {
    print("(#function)")
}
}

构建并运行该应用程序。 毫无疑问，控制台将会输出 该方法名 applicationWillBecomeActive（_ :) ，然后输出 aBadMethod 。我们在在 aBadMethod 的开始处创建一个断点：

再次构建并运行。 在 aBadMethod 的开头命中断点后，导航至 Debug Debug Workflow Always Show Disassembly in Xcode。 现在，您将看到程序的实际汇编！

然后我们在控制台输入以下命令：

代码语言：javascript复制
cpx $rip

这将使用您先前创建的 cpx 命令打印出指令指针寄存器。 您会注意到输出 LLDB 的地址与 Xcode 中绿线突出显示的地址是一样的：

代码语言：javascript复制
(unsigned long) $1 = 0x0000000100008910

当然了每个人的电脑上显示的地址是不同的，而且每次执行时候的地址都可能不一样，但是在单次运行中绿线和控制台上显示的肯定是完全一样的。你试着在控制台下打以下命令：

代码语言：javascript复制
(lldb) image lookup -vrn ^Registers.*aGoodMethod

这是一个很常用的查找命令，其中包含典型的正则表达式参数以及添加的参数 -v ，该参数输出详细信息就像 --verbose 。 您会看到很多的东西。 在控制台中使用 command F 来搜索关键字 range = [ 其中范围中的第一个值便是

该地址称为加载地址。 这是此函数在内存中的实际物理地址！这与您在 image lookup 命令中看到的常规输出不同，它仅显示函数相对于可执行文件的偏移量，也称为实现偏移量。 寻找函数地址时，区分加载地址和可执行文件中的实现偏移很重要，因为它会有所不同。

将这个新地址复制到范围括号的开头。 对于此特定示例，aGoodMethod 的加载地址位于 0x0000000100008910。 现在将 aGoodMethod 的地址指向 RIP 寄存器。输入以下指令

  • register write rip 0x0000000100008910

单击继续，使用 Xcode 调试按钮单击 “继续”。 请一定用 Xcode 的按钮来继续，不要是用 continue 命令，因为在修改 RIP 寄存器并在控制台中继续操作时就会崩溃。按下 Xcode 继续按钮后，您会看到神奇的事情 -> 未执行 aBadMethod（），而是执行了 aGoodMethod（）。 通过查看控制台日志中的输出来验证这一点。

注意：修改 RIP 寄存器实际上非常危险。 您需要确 RIP 寄存器上的数据不会再被使用了，因为新功能将对 RIP 寄存器做出不正确的假设。 由于 aGoodMethod 和 aBadMethod 在功能上非常相似，因此您从一开始就停了下来，并且由于没有对 Registers 应用程序进行任何修改，因此不必担心。

# 寄存器和比特分解

如上一章所述，x64 具有 16 个通用寄存器：RDI，RSI，RAX，RDX，RBP，RSP，RCX，RDX，R8，R9，R10，R11，R12，R13，R14 和 R15。 为了保持与 i386 的 32 位架构等以前的体系结构的兼容性，可以将寄存器分为 32 位，16 位或 8 位值。

对于具有不同体系结构历史的寄存器，寄存器名称中的最前面的字符确定寄存器的大小。 例如，RIP 寄存器以 R 开头，它表示 64 位。 如果您希望使用等效于 RIP 寄存器的 32 位，则可以将 R 字符换成 E，以获得 EIP 寄存器。

为什么这些有用？ 因为使用寄存器时，有时传递到寄存器的值不需要全部使用 64 位。 例如，考虑布尔数据类型：您真正需要的只是 1 或 0 以指示是或否（尽管实际上，布尔值将占用寄存器一个字节）。 基于语言的功能和约束，编译器知道这一点，有时只会将信息写入寄存器的某些部分。 让我们来看看实际情况。 删除 Registers 项目中的所有断点。 生成并运行项目。 现在，让程序暂停。输入以下内容：

  • register write rdx 0x0123456789ABCDEF

这会将值写入 RDX 寄存器。让我们停一分钟。 <font color=red size=3> 提示：您应该注意，写入寄存器可能会导致程序崩溃，尤其是当您希望写入的寄存器具有某种类型的数据时 </font>。 但是你现在是在 demo 上做调试，所以请不要担心您的程序是否崩溃！ 确认此值已成功写入 RDX 寄存器：

  • p/x $rdx

输出

代码语言：javascript复制
(unsigned long) $0 = 0x0123456789abcdef

然后输入

  • p/x $dx

这将打印出 DX 寄存器，该寄存器是 EDX 寄存器的最低有效部分。 因此，这是一个半字。 您应该看到以下内容：

代码语言：javascript复制
0xcdef

再输入

  • p/x $dl

这将打印出 DL 寄存器，它是 DX 寄存器的最低有效位 - 这次是一个字节。 您应该看到以下内容

代码语言：javascript复制
0xef

最后输出如下指令

  • p/x $dh

这为您提供了 DX 寄存器的最高有效部分，即 DL 给出的另一半。 DL 中的 L 代表 “低” 而 DH 中的 H 代表 “高” 也就不足为奇了。 探索汇编时，请注意不同尺寸的寄存器。 寄存器的大小可以为其中包含的值提供线索。 例如，您可以轻松地查找通过 AL 寄存器返回布尔值的函数，因为布尔值将使用 8 个字节，<font color=red size=3> 而 AL 是 64 位 “返回值寄存器” RAX 的 8 位部分 </font>

# 寄存器 R8 到 R15

由于 R8 至 R15 系列寄存器仅针对 64 位架构而创建，因此它们使用完全不同的格式表示较小的寄存器。

现在，您将看下 R9 的不同大小如何选择。生成并运行 Registers 应用程序，然后暂停调试器。像以前一样，将相同的十六进制值写入 R9 寄存器：

  • register write $r9 0x0123456789abcdef

输入以下内容，以确认您已设置 R9 寄存器成功：

  • p/x $ r9

输入以下内容，这将打印 R9 寄存器的低 32 位。请注意，它与您为 RDX 指定低 32 位（即 EDX）的方式有何不同。

  • p/x $ r9d

然后输入以下内容，这次您获得 R9 的低 16 位。同样，这与您为 RDX 进行此操作的方式不同

  • p/x $ r9w

再输入以下内容，打印出 R9 的低 8 位

  • p/x $ r9l

尽管这看起来有些乏味，但是您正在建立阅读汇编语言的技巧。

# 内存中断

现在，您已经了解了指令指针，是时候进一步探索其背后的内存了。顾名思义，指令指针实际上是一个指针。它不执行 RIP 寄存器中存储的指令，而是执行 RIP 寄存器中指向的指令。

在 LLDB 中看到这一点也许会更好地描述它。返回 Registers 应用程序中，打开 AppDelegate.swift 并再次在 aBadMethod 上设置一个断点。生成并运行该应用程序。

命中断点并停止程序后，导航回到汇编视图。如果您忘记了该操作，但尚未为其创建键盘快捷键，则可以在 Debug Debug Workflow Always Show Disassembly 下找到它。 您会看到一堆汇编指令。看一下 RIP 寄存器的位置，该位置应指向函数的最开始。 对于该项目，aBadMethod 的起始地址始于 0x100008910。和往常一样，您的地址可能会有所不同。 在 LLDB 控制台中，键入以下内容：

  • cpx $rip

到现在为止，这将打印出指令指针寄存器的内容。如预期的那样，您将获得 aBadMethod 起始地址。 但是同样，RIP 寄存器指向内存中的值。 它指的是什么？ 嗯，您可以摆脱疯狂的 C 编码技巧（您还记得吗？）并取消引用指针，但是使用 LLDB 可以找到一种更为优雅的方法。 输入以下内容，将地址替换为您的 aBadMethod 函数的地址：

  • memory read -fi -c1 0x100008910

哇，该命令到底能做什么？ memory read 采用一个值，并读取您提供的内存地址所指向的内容。 -f 命令是一个格式参数。 在这种情况下，它是汇编指令格式。 最后，您说的是只希望使用 count 或 - c 参数打印一条汇编指令。 您将获得类似于以下内容的输出：

代码语言：javascript复制
->  0x1000017c0: 55  pushq  %rbp

这是一些很好的输出。 它告诉您十六进制（0x55）中提供的汇编指令以及操作码，这些指令是 pushq ％rbp 操作

注意：等等，您看到 '％' 吗？！ LLDB 中存在一个错误，当您以指令格式打印代码时，该错误不符合您的汇编风格。 请记住，如果您看到这种情况，则源和目标操作数将被反转！这就是 inter 指令集和 AT&T 指令集的区别。

让我们再看一下输出中的 “55”。 这是整个指令（即整个 pushq ％rbp）的编码。 不相信我吗？ 您可以验证它。 在 LLDB 中输入以下内容：

  • expression -f i -l objc -- 0x55

这实际上要求 LLDB 将 0x55 解释为 x64 操作码。 您将获得以下输出：

代码语言：javascript复制
$1 = 55 pushq％rbp

该命令有点长，但这是因为如果您在 Swift 调试上下文中，则需要切换到 Objective-C 上下文。 但是，如果移至 Objective-C 调试上下文，则可以使用简短得多的便捷表达式。

尝试单击 Xcode 左侧面板中的其他框架，以进入一个不包含 Swift 或 Objective-C / Swift 桥接代码的 Objective-C 上下文。 单击 Objective-C 函数中的任何框架。

下一步，在 LLDB 控制台中键入以下内容：

  • p/i 0x55

好多了，对吧？ 现在，回到手中的应用程序。 在 LLDB 中键入以下内容，再次用 aBadMethod 函数地址替换地址：

  • memory read -fi -c10 0x1000017c0

你讲获得以下输出：

代码语言：javascript复制
-> 0x100008910: 55                    pushq  %rbp
0x100008911: 48 89 e5              movq   %rsp, %rbp
0x100008914: 48 81 ec c0 00 00 00  subq   $0xc0, %rsp
0x10000891b: 4c 89 6d f8           movq   %r13, -0x8(%rbp)
0x10000891f: b8 01 00 00 00        movl   $0x1, �x
0x100008924: 89 c7                 movl   �x, �i
0x100008926: e8 d5 05 00 00        callq  0x100008f00               ; symbol stub for: generic specialization <preserving fragile attribute, Any> of Swift._allocateUninitializedArray<A>(Builtin.Word) -> (Swift.Array<A>, Builtin.RawPointer)
0x10000892b: 48 89 c7              movq   %rax, %rdi
0x10000892e: 48 89 45 a8           movq   %rax, -0x58(%rbp)
0x100008932: 48 89 55 a0           movq   %rdx, -0x60(%rbp)

这里需要注意一些有趣的事情：汇编指令的长度可以变化。 看一下第一条指令，然后看输出中的其余指令。 第一条指令的长度为 1 个字节，用 0x55 表示。 以下指令的长度为三个字节。 确保您仍在 Objective-C 上下文中，并尝试打印出负责此指令的操作码。 它只有三个字节，所以您只需将它们连接在一起

  • p/i 0x4889e5

您将获得与 mov ％rsp，％rbp 指令完全无关的另一条指令！ 您会看到以下内容：

代码语言：javascript复制
e5 89  inl    $0x89, �x

是怎么做到的呢？ 也许现在是谈论字节序的好时机。

# 字节序... 这东西倒过来了

x64 以及 ARM 系列体系结构设备均使用低位字节序，这意味着数据以最低有效字节在先的形式存储在内存中。 如果要将数字 0xabcd 存储在内存中，则会先存储 0xcd 字节，然后再存储 0xab 字节。 回到指令示例，这意味着指令 0x4889e5 将以 0xe5、0x89、0x48 的形式存储在存储器中。 返回到您先前遇到的 mov 指令，请尝试反转用于构成汇编指令的字节。 在 LLDB 中输入以下内容：

  • p/i 0xe58948

您现在将获得预期的汇编表示：

代码语言：javascript复制
$2 = 48 89 e5  movq   %rsp, %rbp

让我们再看看一些小端实践的例子。 在 LLDB 中输入以下内容：

  • memory read -s1 -c20 -fx 0x100008910

此命令读取地址为 0x100008910 的内存。 -s1 选项可读取 1 个字节的大小块，-c20 选项可读取 20 个字节的大小块。 您会看到类似这样的内容：

代码语言：javascript复制
0x100008910: 0x55 0x48 0x89 0xe5 0x48 0x81 0xec 0xc0
0x100008918: 0x00 0x00 0x00 0x4c 0x89 0x6d 0xf8 0xb8
0x100008920: 0x01 0x00 0x00 0x00

现在，将大小增加一倍，数量减少一半，就像这样：

  • memory read -s2 -c10 -fx 0x100008910

你会看到这样的输出

代码语言：javascript复制
0x100008910: 0x4855 0xe589 0x8148 0xc0ec 0x0000 0x4c00 0x6d89 0xb8f8
0x100008920: 0x0001 0x0000

请注意，当将内存值分组在一起时，由于使用了低位字节序，它们将被颠倒。 现在，将大小再增加一倍，数量再减少一半：

  • memory read -s4 -c5 -fx 0x100008910

然后你会看到如下输出

代码语言：javascript复制
0x100008910: 0xe5894855 0xc0ec8148 0x4c000000 0xb8f86d89
0x100008920: 0x00000001

与之前的输出相比，这些值再次被颠倒。 记住这一点非常重要，但在探索你自己的记忆时，这会让你变得很混乱。不仅内存的大小会给您一个潜在的错误答案，而且顺序也会给您一个潜在的错误答案。当你开始对着电脑大喊大叫时，当你试图弄清楚某样东西应该如何工作时，请记住这一点！

单片机 汇编语言 objective-c

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