我如何摆脱呼叫 __x86.get_pc_thunk.ax

Question

我试图编译一个非常简单的 C 程序并将其转换为汇编语言。

我使用的是 Ubuntu，操作系统类型是 64 位。

这是 C 程序。

void add();

int main() { 
add();
return 0;
}

如果我使用 gcc -S -m32 -fno-asynchronous-unwind-tables -o simple.S simple.c 这就是我的汇编源代码文件的样子：

.file   "main1.c"
.text
.globl main
.type   main, @function
main:
pushl   %ebp
movl    %esp, %ebp
andl    $-16, %esp
call    add
movl    $0, %eax
movl    %ebp, %esp
popl    %ebp
ret
.size   main, .-main
.ident  "GCC: (Debian 4.4.5-8) 4.4.5" // this part should say Ubuntu instead of Debian
.section    .note.GNU-stack,"",@progbits

但它看起来像这样：

.file   "main0.c"
.text
.globl  main
.type   main, @function
main:
leal    4(%esp), %ecx
andl    $-16, %esp
pushl   -4(%ecx)
pushl   %ebp
movl    %esp, %ebp
pushl   %ebx
pushl   %ecx
call    __x86.get_pc_thunk.ax
addl    $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %eax
movl    %eax, %ebx
call    add@PLT
movl    $0, %eax
popl    %ecx
popl    %ebx
popl    %ebp
leal    -4(%ecx), %esp
ret
.size   main, .-main
.section        

.text.__x86.get_pc_thunk.ax,"axG",@progbits,__x86.get_pc_thunk.ax,comdat
.globl  __x86.get_pc_thunk.ax
.hidden __x86.get_pc_thunk.ax
.type   __x86.get_pc_thunk.ax, @function
__x86.get_pc_thunk.ax:
movl    (%esp), %eax
ret
.ident  "GCC: (Ubuntu 6.3.0-12ubuntu2) 6.3.0 20170406"
.section    .note.GNU-stack,"",@progbits

在我的大学，如果我使用 64 位 Linux 版本，他们告诉我使用标志 -m32。有人可以告诉我我做错了什么吗？ 我是否使用了正确的标志？

在 -fno-pie 之后编辑

.file   "main0.c"
.text
.globl  main
.type   main, @function
main:
leal    4(%esp), %ecx
andl    $-16, %esp
pushl   -4(%ecx)
pushl   %ebp
movl    %esp, %ebp
pushl   %ecx
subl    $4, %esp
call    add
movl    $0, %eax
addl    $4, %esp
popl    %ecx
popl    %ebp
leal    -4(%ecx), %esp
ret
.size   main, .-main
.ident  "GCC: (Ubuntu 6.3.0-12ubuntu2) 6.3.0 20170406"
.section    .note.GNU-stack,"",@progbits

看起来更好，但并不完全相同。 例如，leal 是什么意思？

Answer 1

作为一般规则，您不能期望两个不同的编译器为相同的输入生成相同的汇编代码，即使它们具有相同的版本号；他们可以有任意数量的额外“补丁”来生成代码。只要可观察到的行为相同，一切都会发生。

您还应该知道，GCC 在其默认的-O0 模式下会生成故意错误代码。它的调整是为了便于调试和编译速度，而不是为了生成代码的清晰度或效率。 gcc -O1生成的代码往往比gcc -O0生成的代码更容易理解。

您还应该知道main 函数通常需要进行其他函数不需要做的额外设置和拆卸。指令leal 4(%esp),%ecx 是该额外设置的一部分。如果您只想了解 您 编写的代码对应的机器代码，而不是 ABI 的详细信息，请将您的测试函数命名为 main 以外的名称。

（正如 cmets 中所指出的，设置代码并没有像它可能的那样紧密调整，但这通常并不重要，因为它在程序的生命周期中只执行一次。）

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现在，回答字面意思的问题，出现的原因

call __x86.get_pc_thunk.ax

是因为您的编译器默认生成“与位置无关”的可执行文件。位置无关意味着操作系统可以将程序的机器代码加载到（虚拟）内存中的任何地址并且它仍然可以工作。这允许address space layout randomization 之类的东西，但要使其工作，您必须采取特殊步骤在每个访问全局变量或调用另一个函数（有一些例外）的函数的开头设置一个“全局指针”。如果打开优化，实际上更容易解释生成的代码：

main:
        leal    4(%esp), %ecx
        andl    $-16, %esp
        pushl   -4(%ecx)
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        pushl   %ebx
        pushl   %ecx

这一切只是设置main的堆栈帧和保存需要保存的寄存器。你可以忽略它。

        call    __x86.get_pc_thunk.bx
        addl    $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %ebx

特殊函数__x86.get_pc_thunk.bx 将其返回地址——即紧随其后的addl 指令的地址——加载到EBX 寄存器中。然后我们将魔术常量_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 的值添加到该地址，在与位置无关的代码中，它是使用_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 的指令的地址与global offset table。因此，EBX 现在指向全局偏移表。

        call    add@PLT

现在我们调用add@PLT，也就是调用add，但是要跳过“过程联动表”来做。 PLT 处理add 定义在共享库而不是主可执行文件中的可能性。 PLT 中的代码使用全局偏移表，并假定您在调用@PLT 符号之前已经将EBX 设置为指向它。这就是为什么main 必须设置 EBX，即使似乎没有任何东西使用它。如果你写了类似的东西

 extern int number;
 int main(void) { return number; }

然后你会看到直接使用 GOT，类似于

    call    __x86.get_pc_thunk.bx
    addl    $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %ebx
    movl    number@GOT(%ebx), %eax
    movl    (%eax), %eax

我们用 GOT 的地址加载 EBX，然后我们可以从 GOT 加载全局变量 number 的地址，然后我们实际上取消引用地址以获得值number.

如果您改为编译 64 位代码，您会看到一些不同且简单得多的东西：

    movl    number(%rip), %eax

我们可以从程序计数器的固定偏移处加载number，而不是在 GOT 中搞这些。与 x86 架构的 64 位扩展一起添加了 PC 相对寻址。同样，您的原始程序在 64 位位置无关模式下只会说

    call    add@PLT

无需先设置 EBX。调用仍需通过 PLT，但 PLT 本身使用 PC 相对寻址，不需要调用者的任何帮助。

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__x86.get_pc_thunk.bx 和__x86.get_pc_thunk.ax 之间的唯一区别是它们将返回地址存储在哪个寄存器中：EBX 代表.bx，EAX 代表.ax。我还看到 GCC 生成 .cx 和 .dx 变体。这只是它想为全局指针使用哪个寄存器的问题——如果要通过 PLT 进行调用，它必须是 EBX，但如果没有，那么它可以使用任何寄存器，所以它尝试选择一个其他任何事情都不需要的。

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为什么要调用函数来获取返回地址？旧的编译器会这样做：

    call 1f
1:  pop  %ebx

但是这搞砸了return-address prediction，所以现在编译器会花一点额外的麻烦来确保每个call都与ret配对。

Answer 2

您看到的额外垃圾是由于您的 GCC 特殊外壳版本main 以补偿可能以未对齐堆栈开头的入口点代码。我不确定如何禁用它，或者它是否可能，但是为了您的阅读，将函数重命名为 main 以外的其他东西会抑制它。

重命名为xmain后我得到：

xmain:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        subl    $8, %esp
        call    add
        movl    $0, %eax
        leave
        ret