汇编实现的memcpy和memset的方法

    天天山珍海味的吃,也会烦。偶尔来点花生,毛豆小酌一点,也别有一番风味。

    天天java, golang, c++, 咱们今天来点汇编调剂一下,如何?

    通过这篇文章,您可以了解过:

    • CPU寄存器的一些知识;
    • 函数调用的过程;
    • 汇编的一些知识;
    • glibc 中 memcpy和memset的使用;
    • 汇编中memcpy和memset是如何实现的;

    闲话不多说,今天来看看汇编中如何实现memcpymemset(脑子里快回忆下你最后一次接触汇编是什么时候……)

    函数是如何被调用的

    栈的简单介绍

    • 栈对函数调用来说特别重要,它其实就是进程虚拟地址空间中的一部分,当然每个线程可以设置单独的调用栈(可以用户指定,也可以系统自动分配); 栈由栈基址(%ebp)和栈顶指针(%esp)组成,这两个元素组成一个栈帧,栈一般由高地址向低地址增长,将数据压栈时%esp减小,反之增大;
    • 调用一个新函数时,会产生一个新的栈帧,即将老的%ebp压栈,然后将%ebp设置成跟当前的%esp一样的值即可。函数返回后,之前压栈的数据依然出栈,这样最终之前进栈的%ebp也会出栈,即调用函数之前的栈帧被恢复了,也正是这种机制支撑了函数的多层嵌套调用;

    不管是写Windows程序还是Linux程序,也不管是用什么语言来写程序,我们经常会把某个独立的功能抽出来封装成一个函数,然后在需要的地方调用即可。看似简单的用法,那它背后是如何实现的呢?一般分为四步:

    函数调用规则

    • 函数一般都会有多个参数,我们根据函数调用时,
    • 参数压栈的方向(参数从左到右入栈,还是从右到左入栈);函数调用完是函数调用者负责将之前入栈的参数退栈,还是被调用函数本身来作等

    这两点(其实还有一点,就是代码被编译后,生成新函数名的规则,跟我们这里介绍的关系不大)来分类函数的调用方式:

    • stdcall: 函数参数由右向左入栈, 函数调用结束后由被调用函数清除栈内数据;
    • cdecl: 函数参数由右向左入栈, 函数调用结束后由函数调用者清除栈内数据;
    • fastcall: 从左开始不大于4字节的参数放入CPU的EAX,ECX,EDX寄存器,其余参数从右向左入栈, 函数调用结束后由被调用函数清除栈内数据;

    这种方式最大的不同是用寄存器来存参数,所有它fast。

    glibc中的memcpy

    我们先来看下glibc中的memcpy , 原型如下:

    
    void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

    从src拷贝连续的n个字节数据到dest中, 不会有任何的内存越界检查。

    
    char dest[5] = {0};                                                  
    char test[5] = {0,'b'};                                                
    char src[10] = {'a', 'a', 'a', 'a', 'a', 'a', 'a', 'a', 'a', 'a'};      
     ::memcpy(dest, src, 6);   
                              
    std::cout << src << std::endl; 
    std::cout << dest << std::endl;                                          
    std::cout << test << std::endl;

    大家有兴趣的话可以考虑下上面的代码输出是什么?

    汇编实现的memcpy

    说来惭愧,汇编代码作者本人也不会写。不过我们可以参考linux源码里面的实现,这相对还是比较权威的吧。

    它的实现位于arch/x86/boot/copy.S, 文件开头有这么一行注释Copyright (C) 1991, 1992 Linus Torvalds, 看起来应该是大神亲手写下的。我们来看一看

    
    GLOBAL(memcpy)
      pushw  %si
      pushw  %di
      movw  %ax, %di
      movw  %dx, %si
      pushw  %cx
      shrw  $2, %cx
      rep; movsl
      popw  %cx
      andw  $3, %cx
      rep; movsb
      popw  %di
      popw  %si
      retl
    ENDPROC(memcpy)

    CPU的众多通用寄存器有%esi和%edi, 它们一个是源址寄存器,一个是目的寄存器,常被用来作串操作,我们的这个memcpy最终就是将%esi指向的内容拷贝到%edi中,因为这种代码在linux源码中是被标识成了.code16, 所有这里都只用到这两个寄存器的低16位:%si和%di;

    代码的第一,二句保存当前的%si和%di到栈中;

    这段代码实际上是fastcall调用方式,void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

    其中 dest 被放在了%ax寄存器,src被放在了%dx, n被放在了%cx;

    movw %ax, %di, 将dest放入%di中,movw %dx, %s,将stc放入%si中;

    一个字节一个字节的拷贝太慢了,我们四个字节四个字节的来,shrw $2, %cx,看看参数n里面有几个4, 我们就需要循环拷贝几次,循环的次数存在%cx中,因为后面还要用到这个%cx, 所以计算之前先将其压栈保存pushw %cx

    rep; movslrep重复执行movsl这个操作,每执行一次%cx的内容就减一,直到为0。movsl每次从%si中拷贝4个字节到%di中。这其实就相当于一个for循环copy;

    参数n不一定能被4整除,剩下的余数,我们只能一个字节一个字节的copy了。

    andw $3, %cx就是对%cx取余,看还剩下多少字节没copy;

    rep; movsb一个字节一个字节的copy剩下的内容;

    glibc中的memset

    我们先来看下glibc中的memset, 原型如下:

    
    void *memset(void *s, int c, size_t n);

    这个函数的作用是用第二个参数的最低位一个字节来填充s地址开始的n个字节,尽管第二个参数是个int, 但是填充时只会用到它最低位的一个字节。

    你可以试一下下面代码的输出:

    
    int c = 0x44332211;                                                  
    int s = 0;                                                     
    ::memset((void*)&s, c, sizeof(s));                                           
    std::cout << std::setbase(16) << s << std::endl; // 11111111

    汇编实现的memset

    我们还是来看一下arch/x86/boot/copy.S中的实现:

    
    GLOBAL(memset)
      pushw  %di
      movw  %ax, %di
      movzbl %dl, %eax
      imull  $0x01010101,%eax
      pushw  %cx
      shrw  $2, %cx
      rep; stosl
      popw  %cx
      andw  $3, %cx
      rep; stosb
      popw  %di
      retl
    ENDPROC(memset)

    不同于memcpy,这里不需要%si源址寄存器,只需要目的寄存器,所以我们先将其压栈保存pushw %di;

    参考void *memset(void *s, int c, size_t n)可知,参数s被放在了%ax寄存器;参数n被放在了%cx寄存器;

    参数c被放在了%dl寄存器,这里只用到了%edx寄存器的最低一个字节,所以对于c这个参数不管你是几个字节,其实多只有最低一个字节被用到;

    memcpy一样,一次一个字节的操作太慢了,一次四个字节吧,假设参数c的最低一个字节是0x11, 那么一次set四个字节的话,就是0x11111111:

    
    movzbl %dl, %eaximull $0x01010101,%eax

    imull $0x01010101,%eax这句话就是把0x11变成0x11111111

    rep; stosl,rep重复执行stosl 这个操作,每执行一次%cx的内容就减一,直到为0。stosl每次从%eax中拷贝4个字节到%di中。这其实就相当于一个for循环copy;

    参数n不一定能被4整除,剩下的余数,我们只能一个字节一个字节的copy了。

    andw $3, %cx就是对%cx取余,看还剩下多少字节没copy;

    rep; stosl 一个字节一个字节的copy剩下的内容;

    总结

    以上所述是小编给大家介绍的汇编实现的memcpy和memset的方法,希望对大家有帮助!