自 Rust 1.59 以降,在 Rust 代碼中內(nèi)聯(lián)匯編代碼的語(yǔ)言特性已然 stable^1。參考知乎上一篇文章^3,我用 Rust 的內(nèi)聯(lián)匯編實(shí)現(xiàn)了有棧協(xié)程^4。在此過(guò)程中學(xué)到了一些知識(shí)。
本文假設(shè)讀者對(duì) x86 匯編有基礎(chǔ)了解。
局部?jī)?nèi)聯(lián)匯編與自動(dòng)分配寄存器
Rust 的內(nèi)聯(lián)匯編一開始是對(duì)標(biāo) GCC 的內(nèi)聯(lián)匯編設(shè)計(jì)的,長(zhǎng)得像這樣^5:
asm!("mov $4, %eax cpuid mov %eax, $0 mov %ebx, $1 mov %ecx, $2 mov %edx, $3" : "=r"(a), "=r"(b), "=r"(c), "=r"(d) : "m"(info) : "eax", "ebx", "ecx", "edx" )
后來(lái)才變成如今富有 Rust 特色的樣子^6:
asm!( "mov edi, ebx", "cpuid", "xchg edi, ebx", in("eax") info, lateout("eax") a, out("edi") b, out("ecx") c, out("edx") d, )
與 GCC 內(nèi)聯(lián)匯編語(yǔ)法一樣,Rust 希望即使需要手寫匯編,程序員也能將一部分工作交給編譯器來(lái)高效完成,這部分工作就是寄存器分配,畢竟只有編譯器了解內(nèi)聯(lián)匯編前后的上下文,知道該怎么分配寄存器最合適。
asm
宏的in
,out
,inout
,lateout
,inlateout
參數(shù)就是為了讓編譯器幫助分配寄存器的。
in
表示將變量的值傳給寄存器,編譯器生成的匯編代碼會(huì)使得在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中讀取相應(yīng)的寄存器,就得到了傳入的變量的值;
out
表示將寄存器的值寫到變量中,在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中寫入相應(yīng)寄存器,編譯器在內(nèi)聯(lián)匯編之后生成的匯編代碼會(huì)使得相應(yīng)變量具有寫入相應(yīng)寄存器的值;
late
則是代表編譯器可以采取進(jìn)一步的策略來(lái)優(yōu)化寄存器分配:默認(rèn)的分配策略給每個(gè)參數(shù)分配不同的寄存器,使用lateout
或inlateout
的參數(shù)則允許編譯器復(fù)用某個(gè)in
參數(shù)的寄存器,只要內(nèi)聯(lián)匯編代碼中先讀完所有的in
寄存器,再輸出lateout
或inlateout
寄存器即可。
具體細(xì)節(jié)以及此處沒講到的option
可參考^1。
全局內(nèi)聯(lián)匯編與名稱修飾(Name Mangling)
除了需要寫在函數(shù)體中的asm
宏,還有需要寫在函數(shù)之外的global_asm
宏,其作用與獨(dú)立的匯編代碼相差不大,一切全由程序員掌控,沒有上節(jié)所述寄存器自動(dòng)分配之功能,還需要手動(dòng)管理參數(shù)傳遞,棧對(duì)齊等等。
用global_asm
我們可以寫出源代碼完全是匯編代碼的函數(shù),函數(shù)名就是匯編代碼中的標(biāo)簽,函數(shù)參數(shù)和返回值需要按照 ABI 約定來(lái)處理^7:
use std::global_asm; extern "C" { fn my_asm_add(a: i32, b: i32) -> i32; } global_asm!{ "my_asm_add:", "mov eax, edi", "add eax, esi", "ret", } fn main() { let a = 114; let b = 514; let x = unsafe { my_asm_add(a, b) }; dbg!(x); }
這段代碼在x86_64-unknown-linux-gnu
的目標(biāo),也就是 Rust Playground 的運(yùn)行環(huán)境下會(huì)通過(guò)編譯并輸出正確結(jié)果 628,但在 64 位 Windows 下則會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果,因?yàn)?64 位 Windows 所用的 C ABI 和 64 位 Linux 不一樣,雖然都是通過(guò)寄存器傳遞參數(shù),但 64 位 Windows 的 C ABI 的第一二參數(shù)是用 RCX 和 RDX 傳遞,而非示例中的 RDI 和 RSI。
而在MacOS上編譯,結(jié)果是編譯不過(guò)——雖然和 64 位 Linux 一樣使用 System V AMD64 ABI,但 MacOS 進(jìn)行 C 語(yǔ)言函數(shù)名名稱修飾時(shí)會(huì)在函數(shù)名前加一個(gè)下劃線,所以編譯器會(huì)試圖尋找_my_asm_add
符號(hào),結(jié)果找不到。在匯編代碼中把"my_asm_add:"
改成"_my_asm_add:"
即可編譯通過(guò)。
由此可見匯編語(yǔ)言的不可移植性:即使是同一架構(gòu),甚至同一 ABI 約定的匯編代碼也相當(dāng)不可移植。
在代碼編寫過(guò)程中,我發(fā)現(xiàn)一個(gè)技巧可以規(guī)避掉名稱修飾的影響。asm
和global_asm
宏可以接受格式為sym SYMBOL
的參數(shù)來(lái)引用符號(hào),其中SYMBOL
是函數(shù)或者靜態(tài)變量,這種參數(shù)的目的是在匯編語(yǔ)言中直接引用 Rust 函數(shù)或靜態(tài)變量的符號(hào),盡管 Rust 的名稱修飾算法尚未 stable,但代碼中可以不寫出來(lái)而由編譯器來(lái)計(jì)算。這個(gè)功能也可以用在extern
符號(hào)上,因此可以這樣寫:
global_asm!{ ".extern {0}", "{0}:", "mov eax, edi", "add eax, esi", "ret", sym my_asm_add, }
這樣在編譯 x86_64-unknown-linux-gnu 目標(biāo)時(shí)生成的匯編代碼中的標(biāo)簽是my_asm_add
,而對(duì)于x86_64-apple-darwin
目標(biāo),生成的標(biāo)簽則是_my_asm_add
。
這樣的技巧不夠方便,更直觀的寫法是 naked function^9,這種函數(shù)從外部看來(lái)就是一個(gè) unsafe 函數(shù),而內(nèi)部只允許有一個(gè)asm
宏調(diào)用,編譯器不生成一般函數(shù)中會(huì)有的各種上下文代碼,函數(shù)本體完全由該 asm 宏調(diào)用生成。
程序重定位與位置無(wú)關(guān)代碼
為了加載動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)或者避免被黑客利用固定程序地址攻擊,操作系統(tǒng)加載程序時(shí)會(huì)將其載入到隨機(jī)的內(nèi)存地址,這個(gè)過(guò)程就是程序重定位。
對(duì)于 32 位 x86 程序,需要在加載時(shí)修改程序中所有的絕對(duì)地址,包括函數(shù)的和數(shù)據(jù)的。在匯編語(yǔ)言中可以直接將標(biāo)號(hào)作為常量使用,但最好不要寫mov eax, LABEL
這樣的語(yǔ)句,因?yàn)檫@樣的語(yǔ)句加載器不會(huì)識(shí)別和修改。應(yīng)該寫lea eax, LABEL
。
x86_64 支持相對(duì) RIP 尋址,Rust 編譯器默認(rèn)將代碼編譯為使用這項(xiàng)特性的位置無(wú)關(guān)可執(zhí)行程序(PIE),因此在 Rust 的內(nèi)聯(lián)匯編中取符號(hào)地址需要寫成lea rax, [rip+SYMBOL]
。
示例,x86_64 平臺(tái)下給 static 變量X
加 1 的函數(shù)用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)[11]:
use std::global_asm; static mut X: usize = 0; extern "C" { fn incr_x(); } global_asm!{ "{0}:", "add dword ptr [rip+{X}], 1", "ret", sym incr_x, X = sym X, } fn main() { unsafe { incr_x(); dbg!(X); incr_x(); dbg!(X); } }
32 位 x86 代碼下則需要把匯編代碼改成:
global_asm!{ "{0}:", "lea eax, {X}", "add dword ptr[eax], 1", "ret", sym incr_x, X = sym X, }
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原文標(biāo)題:在 Rust 中使用內(nèi)聯(lián)匯編
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