アセンブリの基本を教えてください

Question

c言語のアセンブリの基本について教えてください。
質問は＃のあとに書いてあります。
よろしくお願いします。

CPU他情報
description: Computer
width: 32 bits
*-core
description: Motherboard
physical id: 0
*-memory
description: System memory
physical id: 0
size: 1988MiB

Architecture: i686
CPU op-mode(s): 32-bit, 64-bit
Byte Order: Little Endian
CPU(s): 2
On-line CPU(s) list: 0,1
Thread(s) per core: 1
Core(s) per socket: 2
Socket(s): 1
Vendor ID: GenuineIntel
CPU family: 6
Model: 15
Model name: Intel(R) Core(TM)2 Duo CPU L7100 @ 1.20GHz
Stepping: 11
CPU MHz: 1201.000
CPU max MHz: 1201.0000
CPU min MHz: 800.0000
BogoMIPS: 2394.07
Virtualization: VT-x
L1d cache: 32K
L1i cache: 32K
L2 cache: 4096K

ソース
#include <stdio.h>

int main()
{
int i;
for (i=0; i<10; i++)
{
printf("Hello, World!\n");
}
return 0;

}

コマンド
gcc version 5.3.1 20160413 (Ubuntu 5.3.1-14ubuntu2)
$ gcc -o firstprog firstprog.c
$ objdump -D firstprog | grep -A70 main.:

0804840b <main>:
1 804840b: 8d 4c 24 04 lea 0x4(%esp),%ecx
2 804840f: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp ＃なぜこれをしないといけないのか？
3 8048412: ff 71 fc pushl -0x4(%ecx) ＃＃これと対になるのはなにか？
4 8048415: 55 push %ebp
5 8048416: 89 e5 mov %esp,%ebp
6 8048418: 51 push %ecx ＃＃これと対になるのはなにか？
7 8048419: 83 ec 14 sub $0x14,%esp ＃＃なぜ１０行目があるのに、これをしないといけないのか？
8 804841c: c7 45 f4 00 00 00 00 movl $0x0,-0xc(%ebp)
9 8048423: eb 14 jmp 8048439 <main+0x2e>
10 8048425: 83 ec 0c sub $0xc,%esp
11 8048428: 68 d0 84 04 08 push $0x80484d0
12 804842d: e8 ae fe ff ff call 80482e0 puts@plt
13 8048432: 83 c4 10 add $0x10,%esp
14 8048435: 83 45 f4 01 addl $0x1,-0xc(%ebp)
15 8048439: 83 7d f4 09 cmpl $0x9,-0xc(%ebp)
16 804843d: 7e e6 jle 8048425 <main+0x1a>
17 804843f: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax ＃＃これはなにをしてるのか？
18 8048444: 8b 4d fc mov -0x4(%ebp),%ecx＃＃これはなにをしてるのか？
19 8048447: c9 leave
20 8048448: 8d 61 fc lea -0x4(%ecx),%esp
21 804844b: c3 ret

Comments

[ikedas]

元のCのソースコードも示して下さい。また、アセンブラの種類、対象アーキテクチャも明記していただけませんか。

Answer 1

そんなに詳しいわけではないのですが、読み解いてみました。なお、回答時点では元のCのソースコードを参照できなかったため、処理の詳細について認識違いがあるかもしれません。

1 804840b: 8d 4c 24 04 lea 0x4\(%esp\),%ecx 

2 804840f: 83 e4 f0 and \$0xfffffff0,%esp ＃なぜこれをしないといけないのか？ 

こうする理由のひとつは、スタックの位置をキャッシュラインサイズに合わせるためだと思います。スタックがキャッシュラインサイズ (x86では64バイト) の境界をまたぐように配置されると、スタック操作の際にキャッシュミスが多発して速度が落ちます。スタックを16バイト境界に揃えれば、速度低下を回避しやすくなります。が、なぜ最大の64バイト境界で揃えないのかはわかりません (メモリの節約のためでしょうか)

もうひとつ。SSE命令 では128ビットのレジスタを使う関係から、全てのデータが16バイト境界にそろえてある必要があります。スタックもこれに合わせて、4バイトや8バイトではなく16バイト境界で揃えているのだと考えられます。

いずれにせよ、スタックポインタを書き換えてしまうとretしたときに呼び出し元に戻れません。書き換える前に、スタック最上部に積んであるもの (戻り先のアドレス) のアドレス0x4(%esp)を、%ecxに保存しています。

3 8048412: ff 71 fc pushl -0x4\(%ecx\) ＃＃これと対になるのはなにか？ 

これは何かを退避しているわけではありません。%ecxに入っているアドレスに入っているもの (つまり、戻り先のアドレス) を、%espを変更した後のスタックに積みなおしているだけです。

ここまでは、スタックのアライメント調整のためのコードです。関数が呼び出されたときにスタックがかならず16バイト境界から始まっているようなアーキテクチャでは必要ないと思われます。

4 8048415: 55 push %ebp 

5 8048416: 89 e5 mov %esp,%ebp 

6 8048418: 51 push %ecx ＃＃これと対になるのはなにか？ 

7 8048419: 83 ec 14 sub \$0x14,%esp ＃＃なぜ１０行目があるのに、これをしないといけないのか？ 

ここでスタックフレームを作っています。上記のコードを実行した後のスタックをスタックポインタの値を基準に示すと、次のようになっているはずです。

アドレス(相対)	内容
0x00	スタックポインタ (%esp) が指す位置
...	...
0x10	ベースポインタ (%ebp) が指す位置
0x14	%ecxの値
0x18	呼び出し元のベースポインタ (%ebp)
0x1C	戻り先アドレス
...	...
???	調整前のスタックポインタが指す位置
???	戻り先アドレス

%espの指す位置より上位で%ebpの指す位置までの間の16バイトは、自動変数に使われます。16バイトの領域全てが使われるとは限りません (下記の処理でも最下位の4バイトしか使っていません)。

呼び出し元のベースポインタ%ebpをスタックに積んでおくのはわかりますが、%ecxを積む意味は私には分かりません。6行目、7行目の疑問についてはそれぞれ後述。

8 804841c: c7 45 f4 00 00 00 00 movl \$0x0,-0xc\(%ebp\) 

9 8048423: eb 14 jmp 8048439 <main\+0x2e> 

10 8048425: 83 ec 0c sub \$0xc,%esp 

11 8048428: 68 d0 84 04 08 push \$0x80484d0 

12 804842d: e8 ae fe ff ff call 80482e0 <puts@plt> 

13 8048432: 83 c4 10 add \$0x10,%esp 
＃＃これをするとesp-0x14とesp-0x16の間にアドレス空間ができてしまう気がするのですが？ 

14 8048435: 83 45 f4 01 addl \$0x1,-0xc\(%ebp\) 

15 8048439: 83 7d f4 09 cmpl \$0x9,-0xc\(%ebp\) 

16 804843d: 7e e6 jle 8048425 <main\+0x1a> 

処理の本体です。ここでスタックポインタを動かしています (10行目)。そしてスタックに引数を積み、putsを呼びます (11-12行目)。スタックポインタを動かす理由は、putsに入ったときにスタックが16バイト境界で揃っているようにするためではないでしょうか。

putsから戻ってきたら、pushした分をpopした上で動かしたスタックポインタを元に戻してもいいのですが、それらをまとめてスタックポインタの値を加算するだけですませています (13行目)。動かした分の12バイト (0xc) とpushした4バイトで、合わせて16バイト (0x10) です。

17 804843f: b8 00 00 00 00 mov \$0x0,%eax ＃＃これはなにをしてるのか？ 

返り値を指定しているのでしょう。お使いのアーキテクチャでは、int型の関数では返り値を%eaxに入れて返すのだと思われます。

19 8048447: c9 leave 

20 8048448: 8d 61 fc lea -0x4\(%ecx\),%esp 

21 804844b: c3 ret

leaveはmov %ebp, %esp; pop %ebpと同じ意味ですから、4-5行目で行ったスタックポインタの調整を元にもどします。これによってスタックフレームは破棄され、自動変数の領域が解放されることになります。またスタックポインタの調整以後にスタックに積まれたものも、popで元に戻す必要はありません。

Comments

[sharow]

> %ecxを積む意味は私には分かりません。

これはmainの第一引数のアドレスです。main()に引数がありそれをつかっている場合には、破壊されていなければ%ecxを、破壊されていればこの積まれた値を経由して使います。

アドレス相対0x1Cにある戻り先のアドレスをpushしている意味は私にも謎です。これは使われていませんし、というかこれを使って戻ってしまうと呼び出し側にとってesp破壊です。もしかすると__builtin_return_address()のようなgcc拡張がmain()で使われたときとかに関係するのかも・・。

[ikedas]

なるほど! 引数のことを忘れていました。なんで4を足したり引いたりしているのかと不思議でしたが、確かにこのアドレスは必要ですね。

使われない戻り先アドレスも謎ですが、sharowさんがおっしゃるようなことかもしれませんね。スタートアップスタブやライブラリ関数はスタックのアライメント調整をやってくれない (そういうことを考慮していない) ようですから、辻褄合わせが必要なのかも知れません。

Answer 2

こんにちは。

全部は分からないので、解る部分だけ回答してみます。

2 804840f: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp ＃なぜこれをしないといけないのか？

ローカル変数のアライメントを調整してローカル変数アクセス速度を最適化することが目的です。
自作エミュレータで学ぶx86アーキテクチャ: コンピュータが動く仕組みを徹底理解！の立ち読みできる部分にも解説がありました。（この本、解りやすそうな感じがします。）

7 8048419: 83 ec 14 sub $0x14,%esp ＃＃なぜ１０行目があるのに、これをしないといけないのか？

main()関数の一番外側のブロックで有効なローカル変数領域の確保ではないかと思います。
そして、恐らくfor()ループがあるのではないでしょうか？ 10行目はそのforループ内で確保しているローカル変数領域の確保ではないかと思います。

6 8048418: 51 push %ecx ＃＃これと対になるのはなにか？

この直前でmov %esp,%ebpしているので、6行目終了時、ebp-4のアドレスにecxが記録されています。下記にてecxを回復しているのだと思います。

18 8048444: 8b 4d fc mov -0x4(%ebp),%ecx＃＃これはなにをしてるのか？

17 804843f: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax ＃＃これはなにをしてるのか？

return 0;の0を設定しているのではないかと思います。
関数の戻り値を返却する際にeaxを使うことは良くあります。

80x86系のアセンブラは大昔に少し触っただけなので外していたらごめんなさい。

Answer 3

ご質問のストレートな回答ではないことをお断りしておきます。
アセンブラのプログラミングに当たっては、構文の理解もさることながらレジスタ、メモリ（アドレス）、スタックに関する概念と1部ハードウエアについても理解が必要です。ご質問のような部分的な疑問について回答を得たとしても、謎はさらに深まる恐れが有ります。要領良く理解するケースも無いとは言えませんが。
参考書などお探しになって、体系的に理解することをお勧めします。
自分はZ80（30年以上前ですが）で参考書を何度も読み返して習得し、ハード設計とファームウェアを書きましたがかなりの学習コストを要しました。今の本で紹介できるものに心当たりが無くて済みません。
ご参考までに。

Answer 4

0804840b <main>:
1 804840b: 8d 4c 24 04 lea 0x4(%esp),%ecx
2 804840f: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp ＃なぜこれをしないといけないのか？
3 8048412: ff 71 fc pushl -0x4(%ecx) ＃＃これと対になるのはなにか？ →多分、１８行ではないのでしょうか？
4 8048415: 55 push %ebp
5 8048416: 89 e5 mov %esp,%ebp
6 8048418: 51 push %ecx ＃＃これと対になるのはなにか？
7 8048419: 83 ec 14 sub $0x14,%esp
8 804841c: c7 45 f4 00 00 00 00 movl $0x0,-0xc(%ebp)
9 8048423: eb 14 jmp 8048439 <main+0x2e>
10 8048425: 83 ec 0c sub $0xc,%esp
11 8048428: 68 d0 84 04 08 push $0x80484d0
12 804842d: e8 ae fe ff ff call 80482e0 puts@plt
13 8048432: 83 c4 10 add $0x10,%esp ＃＃これをするとesp-0x14とesp-0x16の間にアドレス空間ができてしまう気がするのですが？
14 8048435: 83 45 f4 01 addl $0x1,-0xc(%ebp)
15 8048439: 83 7d f4 09 cmpl $0x9,-0xc(%ebp)
16 804843d: 7e e6 jle 8048425 <main+0x1a>
17 804843f: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax ＃＃これはreturn 0でしょうか？
18 8048444: 8b 4d fc mov -0x4(%ebp),%ecx＃＃これはなにをしてるのか？ 多分３行目とついになってのでは？
19 8048447: c9 leave
20 8048448: 8d 61 fc lea -0x4(%ecx),%esp
21 804844b: c3 ret

Answer 5

自分はきちんとした知識を持ってないので個別にちゃんとした解説はできませんが、読み解くうえで参考になるだろう事項があるのでコメントしてみます。これらについてどこかによい教科書なり解説記事なりがあると学びやすいと思いますが、残念ながら自分は知りません。（性能上気になる点を確認するためにアセンブリーソースを見る程度ですので、本格的な知識は持ってないのです）

• スタックフレームとは何か(そもそもスタックマシンとはなにか)

Cでmain関数から関数fを呼んでそこからgを読んで・・・という具合にし、各関数の引数やローカル変数のアドレスを調べると大まかなイメージがつかめます。スタックフレームはコンパイラーの種類によって色々変わりますので「このコンパイラーはこういうスタックフレームにしているようだ」というあたりを付けつつコードを見るとよいと思います。
おそらくC/C++プログラマーの方は(詳細さにばらつきはあるにせよ)スタックフレームがどういう構造かは知っている方も多いと思います。というのはメモリー破壊のデバッグの際に知るはめになるからです。

• 各レジスターの役割

今日よく目にするのはx64(?)などと思いますが、espはスタックポインターでebpはフレームポインターというのを知っておけば理解しやすいと思います。C++だとthisがどのレジスターに載っているかなども意識するとよいかと思います。

• コンパイルの最適化

最適化レベルが変わると効率が悪い機械語コードがよりよいものに変わります。それを踏まえて読むとよいかも知れません。「なんか無駄なコードがでてる」と思ったとき最適化レベルを変えてコンパイルすることでどのくらい賢い機械語コードに変化するかが観察できると思います。（最適化されすぎて読めなくなることも・・・）

• プロセッサの初歩的な知識

時折不自然な順番で命令が並んでいるように見えることがあります。しかしプロセッサが命令をパイプラインで実行していると知っていれば多少不自然にみえても「まぁそういう事情なのだろう」で済ませることができます。しかし本当にアセンブリー言語でバリバリに書こうとする人ならプロセッサーのアーキテクチャーを詳しく知り「なぜこういう順番にするとパイプラインがうまく動くのか」を把握した上で読んだり・書いたりするのかも知れませんね。しかしカーネルプログラミングのようにプロセッサのより詳しい仕様を知らないと全然歯がたたないものもありますね。自分はせいぜい「システムコールはソフトウェア割り込み命令なのかな？」という程度しか知りません。

質問者さんの目的にもよるでしょうが、上に書いた程度を学ぶとそこそこの役には立つ気がします。

Comments

[Zuishin]

矛盾した順番でコマンドが並ぶことがあるのですか？
例えばどういうものでしょう？

[KSwordOfHaste]

「矛盾」じゃなく「不自然」というべきでした。矛盾した順番で並んでいてはおかしいですね！ご指摘ありがとうございます。
---
自分が書こうとしたのはCでの式や文に対する機械語命令がC上で書かれている順番に必ずしも並ばないことがあるというようなことです。

[Zuishin]

アセンブラではなく C ソースをコンパイルした際に、パイプラインを考慮した最適化によって命令が前後するという意味でしょうか？ どうも私が読み違えていたようです。ありがとうございました。

[KSwordOfHaste]

> パイプラインを考慮した最適化によって命令が前後するという意味

そういうものをイメージしていました。自分の表現は適切ではなかったですね。Zuishinさんの表現が端的にポイントをついているように感じました。

（レジスター・メモリー・ALUなどのアクセスの衝突をなるべく避ける目的でうまいこと順番を入れかている・・・というようなことを書こうとしたのですがどうも自身なくて、簡単な表現に改めようとしたものの結局変な説明になってしまってました。申し訳ないです。）