【问题标题】:Calling a C++ function that returns std::string from assembly调用从程序集中返回 std::string 的 C++ 函数
【发布时间】:2021-05-11 17:17:41
【问题描述】:

我目前正在运行外部 C++ 函数来执行简单的字符串输入。我的总体目标是连接两个用户输入字符串,但由于某种原因,我在第二次返回 inputString 函数时遇到了读取访问冲突。

我怀疑我的函数在同一地址返回这两个返回字符串。我也认为我可能不正确地管理堆栈。

extern inputString : proto C
extern outputStringLen : proto C

.data 

.CODE
asm_main PROC
    sub rsp, 20h                ; creating shadow space
    call inputString            
    mov rcx, rax                
    call outputStringLen
    mov r12, rax

    call inputString            
    mov rcx, rax                
    call outputStringLen
    mov r13, rax

    add rsp, 20h                ; deleting created space
    ret                         ; ret to stack
asm_main ENDP
END

C++ 代码:

extern "C" string inputString() {
    string strInput;
    cout << "Enter string input: ";
    cin >> strInput;
    return strInput;
}

extern "C" int outputStringLen(string strInput) {
    int strLength = 0;

    for (int i = 0; i < strInput.length(); i++) {
        strLength++;
    }

    return strLength;
}

【问题讨论】:

  • outputStringLen 是什么?
  • 您没有传递指向std::string 返回值对象的指针以供inputString 存储其结果。它通常是一个32 字节的对象,不适合RAX。使用调试器查看哪些指令出错。 (可能是inputString 中的一个)
  • 编辑了我发布的代码,它应该在那里@AlanBirtles。
  • 请注意,您的总体目标相当复杂,特别是考虑到 C++ 实现使用短字符串优化(将数据保存在 std::string 对象本身中),但对于较长的字符串使用相同的空间像 std::vector 一样存储 3 个指针。还是您想调用使用std::string::operator+ 的C++ 函数?
  • @PeterCordes 啊,谢谢,我想知道这是如何诚实地工作的。不过,我有两个功能正常工作。它将准确地找到字符串的长度。但是,当我再次尝试运行这些函数时,它会失败。

标签: c++ assembly x86-64 masm calling-convention


【解决方案1】:

您没有传递指向 std::string 返回值对象的指针以供 inputString 存储其结果。它通常是 32 字节对象,不适合 RAX。像大多数调用约定一样,Windows x64 通过让调用者将指针作为第一个参数传递来处理大型结构/类返回(和不可复制的对象)。 https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/build/x64-calling-convention?view=msvc-160

使用调试器查看哪些指令出错。 (可能是inputString 中的一个,使用的是之前被踩过的RCX。)

可能在第一次调用您的asm_main 时,RCX 仍然碰巧持有char **argv 或其他一些指向可写内存的有效指针。当您第一次调用 inputString 时,您将 this 作为指针传递给返回值对象。但是outputStringLen 可能已经踩到了 RCX 本身,所以第二次调用传递了一个无效的指针。

即第一次调用只是碰巧有效,并且会因asm_main 的不同调用者而失败。


这似乎是一种让您熟悉汇编语言的非常复杂的方法!

std::string 不是可简单复制的类型;它具有复制构造函数和析构函数,实际上是一个容器,可以直接保存数据或指向动态分配的存储。

MSVC 甚至警告在返回 std::string 的函数上使用 extern "C"

<source>(4): warning C4190: 'inputString' has C-linkage specified, but returns UDT 'std::basic_string<char,std::char_traits<char>,std::allocator<char>>' which is incompatible with C
C:/data/msvc/14.28.29914/include\xstring(4648): note: see declaration of 'std::basic_string<char,std::char_traits<char>,std::allocator<char>>'

使用像 sub rsp, 88 这样的缓冲区在堆栈上保留 88 个字节,并使用带有 char * 参数的 C++ 函数,在 asm 中会更简单。

说到这里,要在进入 asm_main 时将 RSP 重新对齐 16,您应该将 RSP 调整为 16*n + 8。所以至少sub rsp, 28h,因为你不是pushing 任何东西。


std::string 这样的 C++ 容器很难在 asm 中使用

您的总体目标相当复杂,特别是考虑到 C++ 实现使用短字符串优化(将数据保存在 std::string 对象本身内),但对于较长的字符串,使用相同的空间来存储 3 个指针,如 std::vector .

或者你想调用一个使用std::string::operator+的C++函数?这会更容易,但如果您只返回连接的字符串对象,您仍然会泄漏两个 std::string 返回值对象的内存。 (如果你用 C++ 编写调用者,它将有两个 std::string 本地变量,并会在退出时运行它们的析构函数。)我猜 operator+= 意味着你只需要处理其中一个,因为如果您通过引用传递它,它将附加到现有的 std::string 对象。

请注意,在 asm 中,int outputStringLen(string strInput) 看起来与 int outputStringLen(const string &amp;strInput) 基本相同。两者都取一个指针(因为std::string 太大而无法传入一个寄存器,所以Windows x64 调用约定要求调用者创建一个临时对象并传递一个指针给它,以实现按值调用)。所以这只是调用者是否创建一个 tmp 对象,或者你是否传递一个指向现有对象的指针的问题。

您应该查看调用其他 C++ 函数的 C++ 函数的编译器输出*,看看编译器会做什么。 How to remove "noise" from GCC/clang assembly output? 的大部分内容都适用——包括将代码放在 Godbolt 编译器资源管理器上的建议——

#include <string>
#include <cstdlib>

extern "C" std::string inputString();
extern "C" size_t outputStringLen(const std::string &strInput);
//extern "C" size_t outputStringLen(std::string strInput);  // *much* more code to pass a copy by value

int sink;  // to show the output definitely going somewhere, not just staying in RAX
void asm_main(void) {
    std::string a = inputString();
    size_t len = outputStringLen(a);
    sink = len;
}

使用 MSVC -O2 -GS-: https://godbolt.org/z/4YdG1bf4o 编译。 (优化消除了大量的存储/重新加载并将其归结为必须发生的工作。-GS- 消除了缓冲区溢出检查。)

a$ = 32
void asm_main(void) PROC                             ; asm_main, COMDAT
$LN36:
        sub     rsp, 72                             ; 00000048H
        lea     rcx, QWORD PTR a$[rsp]         ;;; output pointer
        call    inputString
        lea     rcx, QWORD PTR a$[rsp]         ;;; same pointer arg
        call    outputStringLen
        mov     rdx, QWORD PTR a$[rsp+24]
        mov     DWORD PTR int sink, eax   ; sink
        cmp     rdx, 16                       ;;; check for short-string => no delete
        jb      SHORT $LN16@asm_main
        mov     rcx, QWORD PTR a$[rsp]
        inc     rdx
        mov     rax, rcx
        cmp     rdx, 4096               ; 00001000H
        jb      SHORT $LN26@asm_main
        mov     rcx, QWORD PTR [rcx-8]
        add     rdx, 39                             ; 00000027H
        sub     rax, rcx
        add     rax, -8
        cmp     rax, 31              ;; some kind of invalid / corrupt std::string check?
        ja      SHORT $LN34@asm_main
$LN26@asm_main:
        call    void operator delete(void *,unsigned __int64)               ; operator delete
$LN16@asm_main:
        add     rsp, 72                             ; 00000048H
        ret     0
$LN34@asm_main:
        call    _invalid_parameter_noinfo_noreturn
        int     3
$LN32@asm_main:
void asm_main(void) ENDP                             ; asm_main

我不知道为什么它需要检查任何东西并有条件地调用_invalid_parameter_noinfo_noreturn;该部分在正常执行期间可能永远不会到达,因此基本上可以认为是噪音。

传递给inputString 的指针显示了你应该做的事情:

a$ = 32

...
        sub     rsp, 72      ; shadow space + sizeof(std::string) + alignment padding

        lea     rcx, QWORD PTR a$[rsp]    ;;; Pointer to return-value object
        call    inputString
        lea     rcx, QWORD PTR a$[rsp]
        call    outputStringLen
        ...
        mov     DWORD PTR int sink, eax   ; sink

(我认为在 Windows x64 中,通过隐藏输出指针返回大对象的函数也必须在 RAX 中返回该指针,因此您的 mov rcx, rax 也是安全的。)

还要注意对 operator delete 的条件调用,具体取决于 std::string 的大小(检测短字符串优化以查看是否有任何动态分配的存储空间可供释放)。

记住,这是简单的版本;通过 const 引用传递,而不是通过必须复制构造另一个 std::string 对象的值。


std::string 的 ABI 由 C++ 头文件中的实现细节决定。 与 asm 进行互操作并不是特别容易。我部分地向您展示了详细信息,以警告您不要尝试这样做,同时为您提供指示以找到您需要手写与 C++ std::string 交互的正确 asm 所需的信息。通常你想把它留给编译器。

一个好的经验法则是,您想从 asm 调用的函数实际上应该可以从 C 调用,除非您想编写了解 C++ 编译器的 C++ ABI(例如布局和std::string 的其他内部细节)。获取或返回 std::string 不符合条件:您不能教 C 编译器正确处理 std::string,因为它具有构造函数和析构函数以及重载的运算符。这就是为什么 MSVC 抱怨在 extern "C" 函数中按值返回一个。

尝试用实际的 C 而不是 C++ 编写 asm_main,看看你遇到了什么问题。


您的outputStringLen 过于复杂std::string 是一个显式长度的字符串,即它知道自己的长度,所以你可以要求它。 return str.length()。循环for (i=0, j=0 ; i&lt;n ; i++){ j++; } 是写i = j = n; 的一种非常低效的方式。

也许您正在考虑带有 0 终止符的 char* C 字符串,您必须在其中循环(或调用 strlen)才能找到长度。

【讨论】:

  • 您可以通过将` /GS-` 传递给编译器来摆脱安全问题
  • @AlanBirtles:谢谢,这是一个更简洁的例子。有没有办法省略导致call _invalid_parameter_noinfo_noreturn 的检查?我认为这是为了某种损坏的std::string?
  • @petercordes 感谢您的详细回复。我会试试你推荐的。这是我的作业中的一个问题,他们希望我编写它,以便我的 c++ 代码仅真正利用 cin 和 cout 连接 2 个用户输入字符串。我对很多组装还很陌生,所以需要一些时间。
  • @Suezzeus:你确定他们要求你使用std::string,而不是char * / char buf[100] 数组,也就是C 字符串吗?
  • @PeterCordes 这是有道理的。我希望一旦我开始工作,一切都会在我的脑海中形成,再次感谢。
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