(與圖靈機(jī)不同馮諾依曼機(jī)是一個(gè)實(shí)際的體系結(jié)構(gòu))CPU就是從EIP指向的那個(gè)地址取過(guò)來(lái)一條指令執(zhí)行
(將編寫(xiě)好的程序和數(shù)據(jù)先存入存儲(chǔ)器中然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作這就是存儲(chǔ)程序的基本含義)
對(duì)于軟件工程師，理解操作系統(tǒng)的工作原理和關(guān)鍵機(jī)制是設(shè)計(jì)高質(zhì)量應(yīng)用程序的前提，但要做到這一點(diǎn)是十分困難的。
一方面，操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)科的方方面面，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，甚至程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與編譯系統(tǒng)等核心知識(shí)，以及并發(fā)、同步和通信等核心概念。
另一方面，作為一個(gè)復(fù)雜龐大的軟件產(chǎn)品，理解操作系統(tǒng)更需要理論與實(shí)踐深度結(jié)合。
操作系統(tǒng)的相關(guān)學(xué)習(xí)資料十分豐富。有闡述基本原理者，有剖析典型系統(tǒng)者，還有構(gòu)造示例系統(tǒng)者；有面向?qū)I(yè)理論者，亦有面向應(yīng)用實(shí)踐者。角度多種多樣，內(nèi)容簡(jiǎn)繁不一。
本書(shū)的最大特點(diǎn)在于作者結(jié)合其多年的Linux操作系統(tǒng)實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)編撰而成。作為一位經(jīng)驗(yàn)豐富的高級(jí)軟件工程師和專業(yè)教師，本書(shū)作者基于自己學(xué)習(xí)和研究Linux的心得，創(chuàng)新性地以一個(gè)mykernel和MenuOS為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)和實(shí)驗(yàn)組織，實(shí)現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐的自然融合，達(dá)到了事半功倍的效果。
同時(shí)，書(shū)中設(shè)計(jì)了豐富的單元測(cè)試題和實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)讀者循序漸進(jìn)地掌握所學(xué)知識(shí)，并有效地促進(jìn)讀者深入思考和實(shí)踐所學(xué)內(nèi)容。
作者基于本書(shū)開(kāi)設(shè)的操作系統(tǒng)課程，其教學(xué)形式涉及面對(duì)面的課堂教學(xué)和在線慕課教學(xué)，選課對(duì)象既包括軟件工程碩士，又包括一般工程實(shí)踐者，學(xué)習(xí)人數(shù)已數(shù)以萬(wàn)計(jì)。本書(shū)的出版體現(xiàn)了作者認(rèn)真吸收大量的學(xué)員反饋，不斷優(yōu)化課程的教學(xué)內(nèi)容和過(guò)程組織的成果。
本文重點(diǎn)介紹計(jì)算機(jī)的工作原理，具體涉及存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)工作模型、基本的匯編語(yǔ)言，以及C語(yǔ)言程序匯編出來(lái)的匯編代碼如何在存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)工作模型上一步步地執(zhí)行。其中重點(diǎn)分析了函數(shù)調(diào)用堆棧相關(guān)匯編指令，如call/ret和pushl/popl。
存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)工作模型
存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的概念雖然簡(jiǎn)單，但在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上具有革命性的意義，至今為止仍是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上非常有意義的發(fā)明。一臺(tái)硬件有限的計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)能安裝各種各樣的軟件，執(zhí)行各種各樣的程序，這在人們看起來(lái)都理所當(dāng)然，其實(shí)背后是存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的功勞。
存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的主要思想是將程序存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，然后按存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)程序的首地址執(zhí)行程序的第一條指令，以后就按照該程序中編寫(xiě)好的指令執(zhí)行，直至程序執(zhí)行結(jié)束。
相信很多人特別是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)的人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)圖靈機(jī)和馮·諾依曼機(jī)。圖靈機(jī)關(guān)注計(jì)算的哲學(xué)定義，是一種虛擬的抽象機(jī)器，是對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的首次描述。只要提供合適的程序，圖靈機(jī)就可以做任何運(yùn)算?；趫D靈機(jī)建造的計(jì)算機(jī)都是在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，程序的邏輯都是嵌入在硬件中的。
與圖靈機(jī)不同，馮·諾依曼機(jī)是一個(gè)實(shí)際的體系結(jié)構(gòu)，我們稱作馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，它至今仍是幾乎所有計(jì)算機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)。我們都知道“庖丁解?！边@個(gè)成語(yǔ)，比喻經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐，掌握了事物的客觀規(guī)律，做事得心應(yīng)手，運(yùn)用自如。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)就是各種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)需要遵從的一個(gè)“客觀規(guī)律”，了解它對(duì)于理解計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)非常重要。下面，我們就來(lái)看看什么是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。
在1944～1945年期間，馮·諾依曼指出程序和數(shù)據(jù)在邏輯上是相同的，程序也可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)包括：
馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，其中運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大基本類型部件組成了計(jì)算機(jī)硬件；
圖1-1 馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來(lái)表示指令和數(shù)據(jù)；
將編寫(xiě)好的程序和數(shù)據(jù)先存入存儲(chǔ)器中，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作，這就是存儲(chǔ)程序的基本含義。
計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)是CPU，它與內(nèi)存和輸入/輸出（I/O）設(shè)備進(jìn)行交互，從輸入設(shè)備接收數(shù)據(jù)，向輸出設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。
CPU由運(yùn)算器（算術(shù)邏輯單元ALU）、控制器和一些寄存器組成。有一個(gè)非常重要的寄存器稱為程序計(jì)數(shù)器，在IA32（x86-32）中是EIP，指示將要執(zhí)行的下一條指令在存儲(chǔ)器中的地址。
C/C++程序員可以將EIP看作一個(gè)指針，因?yàn)樗偸侵赶蚰骋粭l指令的地址。CPU就是從EIP指向的那個(gè)地址取過(guò)來(lái)一條指令執(zhí)行，執(zhí)行完后EIP會(huì)自動(dòng)加一，執(zhí)行下一條指令，然后再取下一條指令執(zhí)行，CPU像“貪吃蛇”一樣總是在內(nèi)存里“吃”指令。
CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備通過(guò)總線連接。內(nèi)存中存放指令和數(shù)據(jù)。
“計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來(lái)表示指令和數(shù)據(jù)”表明，指令和數(shù)據(jù)的功能和處理是不同的，但都可以用二進(jìn)制的方式存儲(chǔ)在內(nèi)存中。
上述第3個(gè)要點(diǎn)指出了馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的核心是存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)。
我們用程序員的思維來(lái)對(duì)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)進(jìn)行抽象，如圖1-2所示。
圖1-2 存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)工作原理示意圖
我們可以把CPU抽象成一個(gè)for循環(huán)，因?yàn)樗偸窃趫?zhí)行next instruction（下一條指令），然后從內(nèi)存里取下一條指令來(lái)執(zhí)行。從這個(gè)角度來(lái)看，內(nèi)存保存指令和數(shù)據(jù)，CPU負(fù)責(zé)解釋和執(zhí)行這些指令，它們通過(guò)總線連接起來(lái)。這里揭示了計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)化執(zhí)行程序的原理。
這里存在一個(gè)問(wèn)題，CPU能識(shí)別什么樣的指令，我們這里需要有一個(gè)定義。學(xué)過(guò)編程的讀者基本都知道API，也就是應(yīng)用程序編程接口。
而對(duì)于程序員來(lái)講，還有一個(gè)稱為ABI的接口，它主要是一些指令的編碼。在指令編碼方面，我們不會(huì)涉及那么具體的細(xì)節(jié)，而只會(huì)涉及和匯編相關(guān)的內(nèi)容。
至于這些指令是如何編碼成二進(jìn)制機(jī)器指令的，我們不必關(guān)心，有興趣的讀者可以查找指令編碼的相關(guān)資料。此外，這些指令會(huì)涉及一些寄存器，這些寄存器有些約定，我們約定什么樣的指令該用什么寄存器。
同時(shí)，我們也需要了解寄存器的布局。還有，大多數(shù)指令可以直接訪問(wèn)內(nèi)存，對(duì)于x86-32計(jì)算機(jī)指令集來(lái)講，這也是一個(gè)重要的概念。
對(duì)于x86-32計(jì)算機(jī)，有一個(gè)EIP寄存器指向內(nèi)存的某一條指令，EIP是自動(dòng)加一的（不是一個(gè)字節(jié)，也不是32位，而是加一條指令），雖然x86-32中每條指令占的存儲(chǔ)空間不一樣，但是它能智能地自動(dòng)加到下一條指令，它還可以被其他指令修改，如call、ret、jmp等，這些指令對(duì)應(yīng)C語(yǔ)言中的函數(shù)調(diào)用、return和if else語(yǔ)句。
現(xiàn)在絕大多數(shù)具有計(jì)算功能的設(shè)備，小到智能手機(jī)，大到超級(jí)計(jì)算機(jī)，基本的核心部分可以用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)（存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)）來(lái)描述。因此，存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)是一個(gè)非?；镜母拍?，是我們理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)。
x86-32匯編基礎(chǔ)
Intel處理器系列也稱為x86，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，體系結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了16位、32位和64位幾個(gè)關(guān)鍵階段。32位的體系結(jié)構(gòu)稱為IA32，64位體系結(jié)構(gòu)稱為x86-64，但為了明確區(qū)分兩者，本書(shū)中把32位體系結(jié)構(gòu)稱作x86-32。本書(shū)與Linux內(nèi)核采用的匯編格式保持一致，采用AT&T匯編格式。
1.x86-32 CPU的寄存器
為了便于讀者理解，下面先來(lái)介紹16位的8086 CPU的寄存器。8086 CPU中總共有14個(gè)16位的寄存器：AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI、IP、FLAG、CS、DS、SS和ES。這14個(gè)寄存器分為通用寄存器、控制寄存器和段寄存器3種類型。
通用寄存器又分為數(shù)據(jù)寄存器、指針寄存器和變址寄存器。
AX、BX、CX和DX統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)寄存器。
qAX（Accumulator）：累加寄存器，也稱為累加器。
qBX（Base）：基地址寄存器。
qCX（Count）：計(jì)數(shù)器寄存器。
qDX（Data）：數(shù)據(jù)寄存器。
SP和BP 統(tǒng)稱為指針寄存器。
qSP（Stack Pointer）：堆棧指針寄存器。
qBP（Base Pointer）：基指針寄存器。
SI和DI統(tǒng)稱為變址寄存器。
qSI（Source Index）：源變址寄存器。
qDI（Destination Index）：目的變址寄存器。
控制寄存器主要分為指令指針寄存器和標(biāo)志寄存器。
qIP（Instruction Pointer）：指令指針寄存器。
qFLAG：標(biāo)志寄存器。
段寄存器主要有代碼段寄存器、數(shù)據(jù)段寄存器、堆棧段寄存器和附加段寄存器。
qCS（Code Segment）：代碼段寄存器。
qDS（Data Segment）：數(shù)據(jù)段寄存器。
qSS（Stack Segment）：堆棧段寄存器。
qES（Extra Segment）：附加段寄存器。
以上數(shù)據(jù)寄存器AX、BX、CX和DX都可以當(dāng)作兩個(gè)單獨(dú)的8位寄存器來(lái)使用，如圖1-3所示，以AX寄存器為例。
圖1-3 AX 寄存器示意圖
qAX寄存器可以分為兩個(gè)獨(dú)立的8位的AH和AL寄存器。
qBX寄存器可以分為兩個(gè)獨(dú)立的8位的BH和BL寄存器。
qCX寄存器可以分為兩個(gè)獨(dú)立的8位的CH和CL寄存器。
qDX寄存器可以分為兩個(gè)獨(dú)立的8位的DH和DL寄存器。
除了上面4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器以外，其他寄存器均不可以分為兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器。注意，每個(gè)分開(kāi)的寄存器都有自己的名稱，可以獨(dú)立存取。程序員可以利用數(shù)據(jù)寄存器的這種“可分可合”的特性，靈活地處理字/字節(jié)的信息。
了解了16位的8086 CPU的寄存器之后，我們?cè)賮?lái)看32位的寄存器。
IA32所含有的寄存器包括：
q4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器（EAX、EBX、ECX和EDX）。
q2個(gè)變址和指針寄存器（ESI和EDI）。
q2個(gè)指針寄存器（ESP和EBP）。
q6個(gè)段寄存器（ES、CS、SS、DS、FS和GS）。
q1個(gè)指令指針寄存器（EIP）。
q1個(gè)標(biāo)志寄存器（EFlags）。
32位寄存器只是把對(duì)應(yīng)的16位寄存器擴(kuò)展到了32位，如圖1-4所示為EAX寄存器示意圖，它增加了一個(gè)E。所有開(kāi)頭為E的寄存器，一般是32位的。
EAX累加寄存器、EBX基址寄存器、ECX計(jì)數(shù)寄存器和EDX數(shù)據(jù)寄存器都是通用寄存器，程序員在寫(xiě)匯編碼時(shí)可以自己定義如何使用它們。EBP是堆?；分羔?，比較重要；ESI、EDI是變址寄存器；ESP也比較重要，它是堆棧棧頂寄存器。
這里可能會(huì)涉及堆棧的概念，學(xué)過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的讀者應(yīng)該知道堆棧的概念，本書(shū)后面會(huì)具體講到push指令壓棧和pop指令出棧，它是向一個(gè)堆棧里面壓一個(gè)數(shù)據(jù)和從堆棧里面彈出一個(gè)數(shù)據(jù)。這些都是32位的通用寄存器。
圖1-4 EAX寄存器示意圖
值得注意的是在16位CPU中，AX、BX、CX和DX不能作為基址和變址寄存器來(lái)存放存儲(chǔ)單元的地址，但在32位CPU中，32位寄存器EAX、EBX、ECX和EDX不僅可以傳送數(shù)據(jù)、暫存數(shù)據(jù)保存算術(shù)邏輯運(yùn)算結(jié)果，還可以作為指針寄存器，因此這些32位寄存器更具通用性。
除了通用寄存器外，還有一些段寄存器。雖然段寄存器在本書(shū)中用得比較少，但還是要了解一下。除了CS、DS、ES和SS外，還有其他附加段寄存器FS和GS。
常用的是CS寄存器和SS寄存器。我們的指令都存儲(chǔ)在代碼段，在定位一個(gè)指令時(shí)，使用CS:EIP來(lái)準(zhǔn)確指明它的地址。
也就是說(shuō)，首先需要知道代碼在哪一個(gè)代碼段里，然后需要知道指令在代碼段內(nèi)的相對(duì)偏移地址EIP，一般用CS:EIP準(zhǔn)確地標(biāo)明一個(gè)指令的內(nèi)存地址。還有堆棧段，每一個(gè)進(jìn)程都有自己的堆棧段（在Linux系統(tǒng)里，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)內(nèi)核態(tài)堆棧和一個(gè)用戶態(tài)堆棧）。
標(biāo)志寄存器的功能細(xì)節(jié)比較復(fù)雜煩瑣，本書(shū)就不仔細(xì)介紹了，讀者知道標(biāo)志寄存器可以保存當(dāng)前的一些狀態(tài)就可以了。
現(xiàn)在主流的計(jì)算機(jī)大多都是采用64位的CPU，那么我們也需要簡(jiǎn)單了解一下x86-64的寄存器。實(shí)際上，64位和32位的寄存器差別也不大，它只是從32位擴(kuò)展到了64位。前面帶個(gè)“R”的都是指64位寄存器，如RAX、RBX、RCX、RDX、RBP、RSI、RSP，還有Flags改為了RFLAGS，EIP改為了RIP。
另外，還增加了更多的通用寄存器，如R8、R9等，這些增加的通用寄存器和其他通用寄存器只是名稱不一樣，在使用中都是遵循調(diào)用者使用規(guī)則，簡(jiǎn)單說(shuō)就是隨便用。
2.數(shù)據(jù)格式
在Intel的術(shù)語(yǔ)規(guī)范中，字表示16位數(shù)據(jù)類型；在IA32中，32位數(shù)稱為雙字；在x86-64中，64位數(shù)稱為四字。圖1-5所示為C語(yǔ)言中基本類型的IA32表示，其中列出的匯編代碼后綴在匯編代碼中會(huì)經(jīng)常看到。
圖1-5 C語(yǔ)言中基本類型的IA32表示
3.尋址方式和常用匯編指令
匯編指令包含操作碼和操作數(shù)，其中操作數(shù)分為以下3種：
（1）立即數(shù)即常數(shù)，如$8，用$開(kāi)頭后面跟一個(gè)數(shù)值；
（2）寄存器數(shù)，表示某個(gè)寄存器中保存的值，如%eax；而對(duì)字節(jié)操作而言，是8個(gè)單字節(jié)寄存器中的一個(gè)，如%al（EAX寄存器中的低8位）；
（3）存儲(chǔ)器引用，根據(jù)計(jì)算出的有效地址來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)器的某個(gè)位置。
還有一些常見(jiàn)的匯編指令，我們來(lái)看它們是如何工作的。最常見(jiàn)的匯編指令是mov指令，movl中的l是指32位，movb中的b是指8位，movw中的w是指16位，movq中的q是指64位。我們以32位為主進(jìn)行介紹。
首先介紹寄存器尋址。所謂寄存器尋址就是操作的是寄存器，不和內(nèi)存打交道，如%eax，其中%開(kāi)頭后面跟一個(gè)寄存器名稱。
movl %eax，%edx
上述代碼把寄存器%eax的內(nèi)容放到%edx中。如果把寄存器名當(dāng)作C語(yǔ)言代碼中的變量名，它就相當(dāng)于：
edx = eax;
立即尋址（immediate）是用一個(gè)$開(kāi)頭后面跟一個(gè)數(shù)值。例如：
movl $0x123， %edx
就是把0x123這個(gè)十六進(jìn)制的數(shù)值直接放到EDX寄存器中。如果把寄存器名當(dāng)作C語(yǔ)言代碼中的變量名，它就相當(dāng)于：
edx = 0x123;
立即尋址也和內(nèi)存沒(méi)有關(guān)系。
直接尋址（direct）是直接用一個(gè)數(shù)值，開(kāi)頭沒(méi)有$符號(hào)。開(kāi)頭有$符號(hào)的數(shù)值表示這是一個(gè)立即數(shù)；沒(méi)有$符號(hào)表示這是一個(gè)地址。例如：
movl 0x123， %edx
就是把十六進(jìn)制的0x123內(nèi)存地址所指向的那塊內(nèi)存里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)放到EDX寄存器里，這相當(dāng)于C語(yǔ)言代碼：
edx = *(int*)0x123;
把0x123這個(gè)數(shù)值強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為一個(gè)32位的int型變量的指針，再用一個(gè)*取它指向的值，然后放到EDX寄存器中，這就稱為直接尋址。
換句話說(shuō)，就是用內(nèi)存地址直接訪問(wèn)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。
間接尋址就是寄存器加個(gè)小括號(hào)。舉例說(shuō)明，%ebx這個(gè)寄存器中存的值是一個(gè)內(nèi)存地址，加個(gè)小括號(hào)表示這個(gè)內(nèi)存地址所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，我們把它放到EDX寄存器中：
move (%ebx), %edx
就相當(dāng)于：
edx = *(int*)ebx;
把這個(gè)EBX寄存器中存儲(chǔ)的數(shù)值強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為一個(gè)32位的int型變量的指針，再用一個(gè)*取它指向的值，然后放到EDX寄存器中，這稱為間接尋址。
變址尋址比間接尋址稍微復(fù)雜一點(diǎn)。例如：
movl 4(%ebx), %edx
讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)代碼中“（%ebx）”前面出現(xiàn)了一個(gè)4，也就是在間接尋址的基礎(chǔ)上，在原地址上加上一個(gè)立即數(shù)4，相當(dāng)于：
edx = *(int*)(ebx+4)
把這個(gè)EBX寄存器存儲(chǔ)的數(shù)值加4，然后強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為一個(gè)32位的int類型的指針，再用一個(gè)*取它指向的值，然后放到EDX寄存器中，這稱為變址尋址。
如上所述的CPU對(duì)寄存器和內(nèi)存的操作方法，都是比較基礎(chǔ)的知識(shí)，需要牢固掌握。
x86-32中的大多數(shù)指令都能直接訪問(wèn)內(nèi)存，但還有一些指令能直接對(duì)內(nèi)存操作，如push/pop。它們根據(jù)ESP寄存器指向的內(nèi)存位置進(jìn)行壓棧和出棧操作，注意這是指令執(zhí)行過(guò)程中默認(rèn)使用了特定的寄存器。
還需要特別說(shuō)明的是，本書(shū)中使用的是AT&T匯編格式，這也是Linux內(nèi)核使用的匯編格式，與Intel匯編格式略有不同。
我們?cè)谒阉髻Y料時(shí)可能會(huì)遇到Intel匯編代碼，一般來(lái)說(shuō)，全是大寫(xiě)字母的一般是Intel匯編，全是小寫(xiě)字母的一般是AT&T匯編。
本書(shū)中的代碼用到的寄存器名稱都遵守AT&T匯編格式采用全小寫(xiě)的方式，而正文中需要使用寄存器名稱一般使用大寫(xiě)，因?yàn)樗鼈兪鞘鬃帜缚s寫(xiě)。
還有幾個(gè)重要的指令：pushl/popl和call/ret。pushl表示32位的push，如：
pushl %eax
就是把EAX寄存器的值壓到堆棧棧頂。它實(shí)際上做了這樣兩個(gè)動(dòng)作，其中第一個(gè)動(dòng)作為：
subl $4， %esp
把堆棧的棧頂ESP寄存器的值減4。因?yàn)槎褩Ｊ窍蛳略鲩L(zhǎng)的，所以用減指令subl，也就是在棧頂預(yù)留出一個(gè)存儲(chǔ)單元。第二個(gè)動(dòng)作為：
movl %eax， (%esp)
把ESP寄存器加一個(gè)小括號(hào)（間接尋址），就是把EAX寄存器的值放到ESP寄存器所指向的地方，這時(shí)ESP寄存器已經(jīng)指向預(yù)留出的存儲(chǔ)單元了。
接下來(lái)介紹popl指令，如：
popl %eax
就是從堆棧的棧頂取一個(gè)存儲(chǔ)單元（32位數(shù)值），從堆棧棧頂?shù)奈恢梅诺紼AX寄存器里，這稱為出棧。出棧同樣對(duì)應(yīng)兩個(gè)操作：
movl (%esp), %eax
addl $4, %esp
第一步是把棧頂?shù)臄?shù)值放到EAX寄存器里，然后用指令addl把棧頂加4，相當(dāng)于棧向上回退了一個(gè)存儲(chǔ)單元的位置，也就是棧在收縮。每次執(zhí)行指令pushl棧都在增長(zhǎng)，執(zhí)行指令popl棧都在收縮。
call指令是函數(shù)調(diào)用，調(diào)用一個(gè)地址。例如：
call 0x12345
上述代碼實(shí)際上做了兩個(gè)動(dòng)作，如下兩條偽指令，注意，這兩個(gè)動(dòng)作并不存在實(shí)際對(duì)應(yīng)的指令，我們用“（*）”來(lái)特別標(biāo)記一下，這兩個(gè)動(dòng)作是由硬件一次性完成的。出于安全方面的原因，EIP寄存器不能被直接使用和修改。
pushl %eip (*)
movl $0x12345, %eip (*)
上述偽指令先是把當(dāng)前的EIP寄存器壓棧，把0x12345這個(gè)立即數(shù)放到EIP寄存器里，該寄存器是用來(lái)告訴CPU下一條指令的存儲(chǔ)地址的。
把當(dāng)前的EIP寄存器的值壓棧就是把下一條指令的地址保存起來(lái)，然后給EIP寄存器又賦了一個(gè)新值0x12345，也就是CPU執(zhí)行的下一條指令就是從0x12345位置取得的。
再看與call指令對(duì)應(yīng)的指令ret，ret指令是函數(shù)返回，例如：
ret
上述代碼實(shí)際上做了一個(gè)動(dòng)作，如下一條偽指令，注意，這個(gè)動(dòng)作并不存在實(shí)際對(duì)應(yīng)的指令，我們用“（*）”來(lái)特別標(biāo)記一下，這個(gè)動(dòng)作是由硬件一次性完成的。出于安全方面的原因，EIP寄存器不能被直接使用和修改。
popl %eip(*)
也就是把當(dāng)前堆棧棧頂?shù)囊粋€(gè)存儲(chǔ)單元（一般是由call指令壓棧的內(nèi)容）放到EIP寄存器里。上述pushl/popl和call/ret匯編指令對(duì)應(yīng)執(zhí)行的動(dòng)作匯總?cè)鐖D1-6所示。
圖1-6 pushl/popl和call/ret匯編指令
總結(jié)一下，call指令對(duì)應(yīng)了C語(yǔ)言里我們調(diào)用一個(gè)函數(shù)，也就是call一個(gè)函數(shù)的起始地址。ret指令是把調(diào)用函數(shù)時(shí)壓棧的EIP寄存器的值（即call指令的下一條指令的地址）還原到EIP寄存器里，ret指令之后的下一條指令也就回到函數(shù)調(diào)用位置的下一條指令。
換句話說(shuō)就是函數(shù)調(diào)用結(jié)束了，繼續(xù)執(zhí)行函數(shù)調(diào)用之后的下一條指令，這和C語(yǔ)言中的函數(shù)調(diào)用過(guò)程是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的。但是需要注意的是，帶個(gè)“（*）”的指令表示這些指令都是不能被程序員直接使用的，是偽指令。
因?yàn)镋IP寄存器不能被程序員直接修改，只能通過(guò)專用指令（如call、ret和jmp等）間接修改。
若程序員可以直接修改EIP寄存器，那么會(huì)有嚴(yán)重的安全隱患。讀者可以思考一下為什么？我們就不展開(kāi)討論了。
4.匯編代碼范例解析
我們已經(jīng)對(duì)指令和寄存器有了大致的了解，下面做一個(gè)練習(xí)來(lái)驗(yàn)證我們的理解。在堆棧為空棧的情況下，執(zhí)行如下匯編代碼片段之后，堆棧和寄存器都發(fā)生了哪些變化？
1 push $8
2 movl %esp, %ebp
3 subl $4, %esp
4 movl $8, (%esp)
我們分析這段匯編代碼每一步都做了什么動(dòng)作。首先在堆棧為空棧的情況下，EBP和ESP寄存器都指向棧底。
第1行語(yǔ)句是將立即數(shù)8壓棧（即先把ESP寄存器的值減4，然后把立即數(shù)8放入當(dāng)前堆棧棧頂位置）。
第2行語(yǔ)句是把ESP寄存器的值放到EBP寄存器里，就是把ESP寄存器存儲(chǔ)的內(nèi)容放到EBP寄存器中，把EBP寄存器也指向當(dāng)前ESP寄存器所指向的位置。
換句話說(shuō)，在堆棧中又新建了一個(gè)邏輯上的空棧，這一點(diǎn)理解起來(lái)并不容易，讀者暫時(shí)理解不了也沒(méi)有關(guān)系。本書(shū)后面會(huì)將C語(yǔ)言程序匯編成匯編代碼來(lái)分析函數(shù)調(diào)用是如何實(shí)現(xiàn)的，其中會(huì)涉及函數(shù)調(diào)用堆?？蚣堋?/p>
第3行語(yǔ)句中的指令是subl，是把ESP寄存器存儲(chǔ)的數(shù)值減4，也就是說(shuō)，棧頂指針ESP寄存器向下移了一個(gè)存儲(chǔ)單元（4個(gè)字節(jié)）。
最后一行語(yǔ)句是把立即數(shù)8放到ESP寄存器所指向的內(nèi)存地址，也就是把立即數(shù)8通過(guò)間接尋址放到堆棧棧頂。
本例是關(guān)于棧和寄存器的一些操作的，我們可以對(duì)照上述文字說(shuō)明一步一步跟蹤堆棧和寄存器的變化過(guò)程，以便更加準(zhǔn)確地理解指令的作用。
再來(lái)看一段匯編代碼，同樣在堆棧為空棧的情況下，執(zhí)行如下匯編代碼片段之后，堆棧和寄存器都發(fā)生了哪些變化？
1 pushl $8
2 movl %esp, %ebp
3 pushl $8
同樣我們也分析一下這段匯編代碼每一步都做了什么動(dòng)作。首先在堆棧為空棧的情況下EBP和ESP寄存器都指向棧底。
第1行語(yǔ)句是將立即數(shù)8壓棧，即堆棧多了一個(gè)存儲(chǔ)單元并存了一個(gè)立即數(shù)8，同時(shí)也改變了ESP寄存器。
第2行語(yǔ)句把ESP寄存器的值放到EBP寄存器里，堆棧空間沒(méi)有變化，但EBP寄存器發(fā)生了變化。
第3行語(yǔ)句將立即數(shù)8壓棧，即堆棧多了一個(gè)存儲(chǔ)單元并存了一個(gè)立即數(shù)8。
讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)例子和上一個(gè)例子的實(shí)際效果是完全一樣的。
小試牛刀之后，再看下面這段更加復(fù)雜一點(diǎn)的匯編代碼：
1 pushl $8
2 movl %esp, %ebp
3 pushl %esp
4 pushl $8
5 addl $4, %esp
6 popl %esp
這段匯編代碼同樣首先在堆棧為空棧的情況下EBP和ESP寄存器都指向棧底。
第1行語(yǔ)句是將立即數(shù)8壓棧，即堆棧多了一個(gè)存儲(chǔ)單元并保存立即數(shù)8，同時(shí)也改變了ESP寄存器。
第2行語(yǔ)句是把ESP寄存器的值放到EBP寄存器里，堆棧空間沒(méi)有變化，但EBP寄存器發(fā)生了變化。
第3行語(yǔ)句是把ESP寄存器的內(nèi)容壓棧到堆棧棧頂?shù)拇鎯?chǔ)單元里。需要注意的是，pushl指令本身會(huì)改變ESP寄存器。“pushl %esp”語(yǔ)句相當(dāng)于如下兩條指令：
subl $4, %esp
movl %esp, (%esp)
顯然，在保存ESP寄存器的值到堆棧中之前改變了ESP寄存器，保存到棧頂?shù)臄?shù)據(jù)應(yīng)該是當(dāng)前ESP寄存器的值減4。ESP寄存器的值發(fā)生了變化，同時(shí)?？臻g多了一個(gè)存儲(chǔ)單元保存變化后的ESP寄存器的值。
第4行語(yǔ)句是將立即數(shù)8壓棧，即堆棧多了一個(gè)存儲(chǔ)單元保存立即數(shù)8，同時(shí)也改變了ESP寄存器。
第5行語(yǔ)句是把ESP寄存器的值加4，這相當(dāng)于堆棧空間收縮了一個(gè)存儲(chǔ)單元。
最后一條語(yǔ)句相當(dāng)于如下兩條指令：
movl (%esp), %esp
addl $4, %esp
也就是把當(dāng)前棧頂?shù)臄?shù)據(jù)放到ESP寄存器中，然后又將ESP寄存器加4。這一段代碼比較復(fù)雜，因?yàn)镋SP寄存器既作為操作數(shù)，又被pushl/popl指令在執(zhí)行過(guò)程中使用和修改。
讀者需要仔細(xì)分析和思考這段匯編代碼以理解整個(gè)執(zhí)行過(guò)程，本書(shū)后續(xù)內(nèi)容會(huì)結(jié)合C代碼的函數(shù)調(diào)用和函數(shù)返回，來(lái)進(jìn)一步理解這段匯編代碼中涉及的建立一個(gè)函數(shù)調(diào)用堆棧和拆除一個(gè)函數(shù)調(diào)用堆棧。
《庖丁解牛Linux內(nèi)核分析》
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