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如何調(diào)用C標準庫的exit函數(shù)詳解

來源：本站原創(chuàng)|時間：2020-01-10|欄目：C語言|點擊： 次

編譯大于運算符

原定的計劃中這一篇應(yīng)當是要講如何編譯if表達式的，但是我發(fā)現(xiàn)沒什么東西可以作為if的test-form的部分的表達式，所以覺得，要不還是先實現(xiàn)一下比較兩個數(shù)字這樣子的功能吧。說干就干，我決定用大于運算符來作為例子——大于運算符就是指>啦。所以，我的目標是要編譯下面這樣的代碼

(> 1 2)

并且比較之后的結(jié)果要放在EAX寄存器中。鑒于現(xiàn)在這門語言還非常地簡陋，沒有布爾類型這樣子的東西，所以在此仿照C語言的處置方式，以數(shù)值0表示邏輯假，其它的值表示邏輯真。所以上面的表達式在編譯成匯編代碼并最終運行后，應(yīng)當可以看到EAX寄存器中的值為0。

為了編譯大于運算符，并且將結(jié)果放入到EAX寄存器中，需要用到新的指令CMP、JG，以及JMP了。我的想法是，先將第一個操作數(shù)放入到EAX寄存器，將第二個操作數(shù)放入到EBX寄存器。然后，使用CMP指令比較這兩個寄存器。如果EAX中的數(shù)值大于EBX，那么就使用JG指令跳到一個MOV指令上，這道MOV會將寄存器EAX的值修改為1；否則，JG不被執(zhí)行，執(zhí)行后續(xù)的一道MOV指令，將數(shù)值0寫入到EAX寄存器，然后使用JMP跳走，避免又執(zhí)行到了剛才的第一道MOV指令。思路還是挺簡單的。

在修改jjcc2之前，還需要在inside-out/aux中對>予以支持，但沒什么特別的，就是往member的參數(shù)中加入>這個符號而已。之后，將jjcc2改為如下的形式

(defun jjcc2 (expr globals)
 "支持兩個數(shù)的四則運算的編譯器"
 (check-type globals hash-table)
 (cond ((eq (first expr) '+)
  `((movl ,(get-operand expr 0) %eax)
  (movl ,(get-operand expr 1) %ebx)
  (addl %ebx %eax)))
 ((eq (first expr) '-)
  `((movl ,(get-operand expr 0) %eax)
  (movl ,(get-operand expr 1) %ebx)
  (subl %ebx %eax)))
 ((eq (first expr) '*)
  ;; 將兩個數(shù)字相乘的結(jié)果放到第二個操作數(shù)所在的寄存器中
  ;; 因為約定了用EAX寄存器作為存放最終結(jié)果給continuation用的寄存器，所以第二個操作數(shù)應(yīng)當為EAX
  `((movl ,(get-operand expr 0) %eax)
  (movl ,(get-operand expr 1) %ebx)
  (imull %ebx %eax)))
 ((eq (first expr) '/)
  `((movl ,(get-operand expr 0) %eax)
  (cltd)
  (movl ,(get-operand expr 1) %ebx)
  (idivl %ebx)))
 ((eq (first expr) 'progn)
  (let ((result '()))
  (dolist (expr (rest expr))
  (setf result (append result (jjcc2 expr globals))))
  result))
 ((eq (first expr) 'setq)
  ;; 編譯賦值語句的方式比較簡單，就是將被賦值的符號視為一個全局變量，然后將eax寄存器中的內(nèi)容移動到這里面去
  ;; TODO: 這里expr的second的結(jié)果必須是一個符號才行
  ;; FIXME: 不知道應(yīng)該賦值什么比較好，先隨便寫個0吧
  (setf (gethash (second expr) globals) 0)
  (values (append (jjcc2 (third expr) globals)
    ;; 為了方便stringify函數(shù)的實現(xiàn)，這里直接構(gòu)造出RIP-relative形式的字符串
    `((movl %eax ,(get-operand expr 0))))
   globals))
 ((eq (first expr) '_exit)
  ;; 因為知道_exit只需要一個參數(shù)，所以將它的第一個操作數(shù)塞到EDI寄存器里面就可以了
  ;; TODO: 更好的寫法，應(yīng)該是有一個單獨的函數(shù)來處理這種參數(shù)傳遞的事情（以符合calling convention的方式）
  `((movl ,(get-operand expr 0) %edi)
  (movl #x2000001 %eax)
  (syscall)))
 ((eq (first expr) '>)
  ;; 為了可以把比較之后的結(jié)果放入到EAX寄存器中，以我目前不完整的匯編語言知識，可以想到的方法如下
  (let ((label-greater-than (intern (symbol-name (gensym)) :keyword))
  (label-end (intern (symbol-name (gensym)) :keyword)))
  ;; 根據(jù)這篇文章（https://en.wikibooks.org/wiki/X86_Assembly/Control_Flow#Comparison_Instructions）中的說法，大于號左邊的數(shù)字應(yīng)該放在CMP指令的第二個操作數(shù)中，右邊的放在第一個操作數(shù)中
  `((movl ,(get-operand expr 0) %eax)
  (movl ,(get-operand expr 1) %ebx)
  (cmpl %ebx %eax)
  (jg ,label-greater-than)
  (movl $0 %eax)
  (jmp ,label-end)
  ,label-greater-than
  (movl $1 %eax)
  ,label-end)))))

然后便可以在REPL中運行下列代碼了

(let* ((ht (make-hash-table))
 (asm (jjcc2 (inside-out '(_exit (> 1 2))) ht)))
 (stringify asm ht))

輸出的匯編代碼為

 .data
G809: .long 0
 .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
 .globl _main
_main:
 MOVL $1, %EAX
 MOVL $2, %EBX
 CMPL %EBX, %EAX
 JG G810
 MOVL $0, %EAX
 JMP G811
G810:
 MOVL $1, %EAX
G811:
 MOVL %EAX, G809(%RIP)
 MOVL G809(%RIP), %EDI
 MOVL $33554433, %EAX
 SYSCALL

編譯鏈接運行后，就可以得到預(yù)期的結(jié)果了。下面開始本文的正文

調(diào)用C標準庫的exit函數(shù)

在上面的介紹中，實現(xiàn)了對大于號（>）的處理，那么對if表達式的編譯也就是信手拈來的事了，不解釋太多。在本篇中，將會講述一下如何產(chǎn)生可以調(diào)用來自于C語言標準庫的exit(3)函數(shù)的匯編代碼。

在Common Lisp中并沒有一個叫做EXIT的內(nèi)置函數(shù)，所以如同之前實現(xiàn)的_exit一樣，我會新增一種需要識別的(first expr)，即符號exit。為了可以調(diào)用C語言標準庫中的exit函數(shù)，需要遵循調(diào)用約定。對于exit這種只有一個參數(shù)的函數(shù)而言，情形比較簡單，只需要跟對_exit一樣處理即可。剛開始，我寫下的代碼是這樣的

(defun jjcc2 (expr globals)
 ;; 省略不必要的內(nèi)容
 (cond ;; 省略不必要的內(nèi)容
 ((member (first expr) '(_exit exit))
  ;; 暫時以硬編碼的方式識別一個函數(shù)是否來自于C語言的標準庫
  `((movl ,(get-operand expr 0) %edi)
  (call :|_exit|)))))

對(exit 1)進行編譯，會得到如下的代碼

 .data
 .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
 .globl _main
_main:
 MOVL $1, %EDI
 CALL _exit

不過這樣的代碼經(jīng)過編譯鏈接之后，一運行就會遇到段錯誤（segmentation fault）。經(jīng)過一番放狗搜索后，才知道原來在macOS上調(diào)用C函數(shù)的時候，需要先將棧對齊到16字節(jié)——我將其理解為將指向棧頂?shù)闹羔槍R到16字節(jié)。于是乎，我將jjcc2修改為如下的形式

(defun jjcc2 (expr globals)
 ;; 省略不必要的內(nèi)容
 (cond ;; 省略不必要的內(nèi)容
 ((member (first expr) '(_exit exit))
  ;; 暫時以硬編碼的方式識別一個函數(shù)是否來自于C語言的標準庫
  `((movl ,(get-operand expr 0) %edi)
  ;; 據(jù)這篇回答（https://stackoverflow.com/questions/12678230/how-to-print-argv0-in-nasm）所說，在macOS上調(diào)用C語言函數(shù)，需要將棧對齊到16位
  ;; 假裝要對齊的是棧頂?shù)刂?。因為棧頂?shù)刂肥峭偷刂吩鲩L的，所以只需要將地址的低16位抹掉就可以了
  (and ,(format nil "$0x~X" #XFFFFFFF0) %esp)
  (call :|_exit|)))))

結(jié)果發(fā)現(xiàn)還是不行。最后，實在沒轍了，只好先寫一段簡單的C代碼，然后用gcc -S生成匯編代碼，來看看究竟應(yīng)當如何處理這個棧的對齊要求。一番瞎折騰之后，發(fā)現(xiàn)原來是要處理RSP寄存器而不是ESP寄存器——我也不曉得這是為什么，ESP不就是RSP的低32位而已么。

最后，把jjcc2寫成下面這樣后，終于可以成功編譯(exit 1)了

(defun jjcc2 (expr globals)
 "支持兩個數(shù)的四則運算的編譯器"
 (check-type globals hash-table)
 (cond ((eq (first expr) '+)
   `((movl ,(get-operand expr 0) %eax)
   (movl ,(get-operand expr 1) %ebx)
   (addl %ebx %eax)))
  ((eq (first expr) '-)
   `((movl ,(get-operand expr 0) %eax)
   (movl ,(get-operand expr 1) %ebx)
   (subl %ebx %eax)))
  ((eq (first expr) '*)
   ;; 將兩個數(shù)字相乘的結(jié)果放到第二個操作數(shù)所在的寄存器中
   ;; 因為約定了用EAX寄存器作為存放最終結(jié)果給continuation用的寄存器，所以第二個操作數(shù)應(yīng)當為EAX
   `((movl ,(get-operand expr 0) %eax)
   (movl ,(get-operand expr 1) %ebx)
   (imull %ebx %eax)))
  ((eq (first expr) '/)
   `((movl ,(get-operand expr 0) %eax)
   (cltd)
   (movl ,(get-operand expr 1) %ebx)
   (idivl %ebx)))
  ((eq (first expr) 'progn)
   (let ((result '()))
   (dolist (expr (rest expr))
    (setf result (append result (jjcc2 expr globals))))
   result))
  ((eq (first expr) 'setq)
   ;; 編譯賦值語句的方式比較簡單，就是將被賦值的符號視為一個全局變量，然后將eax寄存器中的內(nèi)容移動到這里面去
   ;; TODO: 這里expr的second的結(jié)果必須是一個符號才行
   ;; FIXME: 不知道應(yīng)該賦值什么比較好，先隨便寫個0吧
   (setf (gethash (second expr) globals) 0)
   (values (append (jjcc2 (third expr) globals)
       ;; 為了方便stringify函數(shù)的實現(xiàn)，這里直接構(gòu)造出RIP-relative形式的字符串
       `((movl %eax ,(get-operand expr 0))))
     globals))
  ;; ((eq (first expr) '_exit)
  ;; ;; 因為知道_exit只需要一個參數(shù)，所以將它的第一個操作數(shù)塞到EDI寄存器里面就可以了
  ;; ;; TODO: 更好的寫法，應(yīng)該是有一個單獨的函數(shù)來處理這種參數(shù)傳遞的事情（以符合calling convention的方式）
  ;; `((movl ,(get-operand expr 0) %edi)
  ;; (movl #x2000001 %eax)
  ;; (syscall)))
  ((eq (first expr) '>)
   ;; 為了可以把比較之后的結(jié)果放入到EAX寄存器中，以我目前不完整的匯編語言知識，可以想到的方法如下
   (let ((label-greater-than (intern (symbol-name (gensym)) :keyword))
    (label-end (intern (symbol-name (gensym)) :keyword)))
   ;; 根據(jù)這篇文章（https://en.wikibooks.org/wiki/X86_Assembly/Control_Flow#Comparison_Instructions）中的說法，大于號左邊的數(shù)字應(yīng)該放在CMP指令的第二個操作數(shù)中，右邊的放在第一個操作數(shù)中
   `((movl ,(get-operand expr 0) %eax)
    (movl ,(get-operand expr 1) %ebx)
    (cmpl %ebx %eax)
    (jg ,label-greater-than)
    (movl $0 %eax)
    (jmp ,label-end)
    ,label-greater-than
    (movl $1 %eax)
    ,label-end)))
  ((eq (first expr) 'if)
   ;; 假定if語句的測試表達式的結(jié)果也是放在%eax寄存器中的，所以只需要拿%eax寄存器中的值跟0做比較即可（類似于C語言）
   (let ((label-else (intern (symbol-name (gensym)) :keyword))
    (label-end (intern (symbol-name (gensym)) :keyword)))
   (append (jjcc2 (second expr) globals)
     `((cmpl $0 %eax)
      (je ,label-else))
     (jjcc2 (third expr) globals)
     `((jmp ,label-end)
      ,label-else)
     (jjcc2 (fourth expr) globals)
     `(,label-end))))
  ((member (first expr) '(_exit exit))
   ;; 暫時以硬編碼的方式識別一個函數(shù)是否來自于C語言的標準庫
   `((movl ,(get-operand expr 0) %edi)
   ;; 據(jù)這篇回答（https://stackoverflow.com/questions/12678230/how-to-print-argv0-in-nasm）所說，在macOS上調(diào)用C語言函數(shù)，需要將棧對齊到16位
   ;; 假裝要對齊的是棧頂?shù)刂?。因為棧頂?shù)刂肥峭偷刂吩鲩L的，所以只需要將地址的低16位抹掉就可以了
   (and ,(format nil "$0x~X" #XFFFFFFFFFFFFFFF0) %rsp)
   (call :|_exit|)))))

生成的匯編代碼如下

  .data
  .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
  .globl _main
_main:
  MOVL $1, %EDI
  AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
  CALL _exit

好了，這個時候我就在想，如果想要支持其它來自C語言標準庫的函數(shù)的話，只要依葫蘆畫瓢就好了，好像還挺簡單的——天真的我如此天真地想著。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，謝謝大家對我們的支持。

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