为什么 GCC 使用 NOP 填充功能？

Question

我使用 C 语言已经有一段时间了，最​​近才开始接触 ASM。当我编译一个程序时：

int main(void)
  {
  int a = 0;
  a += 1;
  return 0;
  }

objdump 反汇编有代码，但在 ret 之后没有：

...
08048394 <main>:
 8048394:       55                      push   %ebp
 8048395:       89 e5                   mov    %esp,%ebp
 8048397:       83 ec 10                sub    $0x10,%esp
 804839a:       c7 45 fc 00 00 00 00    movl   $0x0,-0x4(%ebp)
 80483a1:       83 45 fc 01             addl   $0x1,-0x4(%ebp)
 80483a5:       b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
 80483aa:       c9                      leave  
 80483ab:       c3                      ret    
 80483ac:       90                      nop
 80483ad:       90                      nop
 80483ae:       90                      nop
 80483af:       90                      nop
...

据我所知 nops 什么都不做，因为在 ret 之后甚至不会被执行。

我的问题是：为什么要打扰？ ELF(linux-x86) 不能与任何大小的 .text 部分(+main) 一起使用吗？

我很感激任何帮助，只是想学习。

Answer 1

据我所知，指令在 cpu 中流水线化，不同的 cpu 块（加载器、解码器等）处理后续指令。在执行RET 指令时，很少有下一条指令已加载到 cpu 管道中。这是一个猜测，但您可以从这里开始挖掘，如果您发现（可能是安全的NOPs 的具体数量，请分享您的发现。

Answer 2

这样做是为了将下一个函数与 8、16 或 32 字节边界对齐。

来自 A.Fog 的“优化汇编语言中的子程序”：

11.5 代码对齐

大多数微处理器以对齐的 16 字节或 32 字节块的形式获取代码。如果一个重要的子程序入口或跳转标签恰好在一个 16 字节块的末尾附近，那么微处理器在获取该代码块时只会得到几个有用的代码字节。在解码标签之后的第一条指令之前，它可能也必须获取接下来的 16 个字节。这可以通过将重要的子程序条目和循环条目对齐 16 来避免。

[...]

对齐一个子程序条目就像放置尽可能多的一样简单 无 ' 在子例程入口之前根据需要使地址可被 8、16、32 或 64 整除。

Answer 3

首先，gcc 并不总是这样做。 padding由-falign-functions控制，由-O2和-O3自动开启：

-falign-functions
-falign-functions=n

将函数的开头与大于n 的下一个二次幂对齐，最多跳过n 字节。例如， -falign-functions=32 将函数与下一个 32 字节边界对齐，但 -falign-functions=24 将仅与下一个 32 字节边界对齐 如果这可以通过跳过 23 个字节或更少来完成。

-fno-align-functions 和-falign-functions=1 是等价的，表示函数不会对齐。

一些汇编程序仅在 n 是 2 的幂时才支持此标志；在 这种情况下，四舍五入。

如果 n 未指定或为零，则使用与机器相关的默认值。

在 -O2、-O3 级别启用。

这样做可能有多种原因，但 x86 上的主要原因可能是这样的：

大多数处理器在对齐的 16 字节或 32 字节块中获取指令。有可能 有利于将关键循环条目和子例程条目对齐 16 以最小化 代码中 16 字节边界的数量。或者，确保进入关键循环或子程序后的前几条指令中没有 16 字节边界。

(引自“优化汇编中的子程序 语言”，Agner Fog 着。）

编辑：这是一个演示填充的示例：

// align.c
int f(void) { return 0; }
int g(void) { return 0; }

当使用 gcc 4.4.5 和默认设置编译时，我得到：

align.o:     file format elf64-x86-64

Disassembly of section .text:

0000000000000000 <f>:
   0:   55                      push   %rbp
   1:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
   4:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
   9:   c9                      leaveq 
   a:   c3                      retq   

000000000000000b <g>:
   b:   55                      push   %rbp
   c:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
   f:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
  14:   c9                      leaveq 
  15:   c3                      retq   

指定-falign-functions 给出：

align.o:     file format elf64-x86-64

Disassembly of section .text:

0000000000000000 <f>:
   0:   55                      push   %rbp
   1:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
   4:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
   9:   c9                      leaveq 
   a:   c3                      retq   
   b:   eb 03                   jmp    10 <g>
   d:   90                      nop
   e:   90                      nop
   f:   90                      nop

0000000000000010 <g>:
  10:   55                      push   %rbp
  11:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
  14:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
  19:   c9                      leaveq 
  1a:   c3                      retq