assembly - 为什么静态变量的地址是相对于指令指针的？

Question

我正在关注 this tutorial关于 assembly 。

根据教程(我在本地也试过，也得到了类似的结果)，源码如下:

int natural_generator()
{
        int a = 1;
        static int b = -1;
        b += 1;              /* (1, 2) */
        return a + b;
}

编译为这些汇编指令:

$ gdb static
(gdb) break natural_generator
(gdb) run
(gdb) disassemble
Dump of assembler code for function natural_generator:
push   %rbp
mov    %rsp,%rbp
movl   $0x1,-0x4(%rbp)
mov    0x177(%rip),%eax        # (1)
add    $0x1,%eax
mov    %eax,0x16c(%rip)        # (2)
mov    -0x4(%rbp),%eax
add    0x163(%rip),%eax        # 0x100001018 <natural_generator.b>
pop    %rbp
retq   
End of assembler dump.

(我添加的行号注释 (1)、(2) 和 (1, 2)。)

问题:为什么在编译后的代码中，静态变量b的地址是相对于指令指针(RIP)的，它不断变化(参见 (1) 和 (2) 行)，因此生成更复杂的汇编代码，而不是相对于可执行文件的特定部分，其中存储这样的变量？

根据提到的教程，有这样的部分:

This is because the value for b is hardcoded in a different section of the sample executable, and it’s loaded into memory along with all the machine code by the operating system’s loader when the process is launched.

(强调我的。)

Answer 1

使用RIP 相对寻址访问静态变量b 的主要原因有两个。首先是它使代码位置独立，这意味着它是否用于共享库或 position independent executable代码可以更容易地重新定位。第二个是它允许将代码加载到 64 位地址空间中的任何位置，而无需在指令中编码巨大的 8 字节(64 位)位移，而 64 位 x86 CPU 无论如何都不支持这种位移。

您提到编译器可以改为生成引用变量的代码，该代码相对于它所在的部分的开头。虽然这样做也具有与上面给出的相同的优点，但它不会使程序集任何不那么复杂。事实上，这会使它变得更复杂。生成的汇编代码首先必须计算变量所在段的地址，因为它只知道它相对于指令指针的位置。然后它必须将它存储在寄存器中，因此可以相对于该地址访问 b(以及该部分中的任何其他变量)。

由于 32 位 x86 代码不支持 RIP 相对寻址，您的替代解决方案实际上是编译器在生成 32 位位置独立代码时所做的。它将变量b放在全局偏移表(GOT)中，然后访问相对于GOT基址的变量。这是使用 gcc -m32 -O3 -fPIC -S test.c 编译时您的代码生成的程序集:

natural_generator:
        call    __x86.get_pc_thunk.cx
        addl    $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %ecx
        movl    b.1392@GOTOFF(%ecx), %eax
        leal    1(%eax), %edx
        addl    $2, %eax
        movl    %edx, b.1392@GOTOFF(%ecx)
        ret

第一个函数调用将后续指令的地址放在 ECX 中。下一条指令通过添加 GOT 从指令开始的相对偏移量来计算 GOT 的地址。变量 ECX 现在包含 GOT 的地址，并在访问其余代码中的变量 b 时用作基础。

将其与 gcc -m64 -O3 -S test.c 生成的 64 位代码进行比较:

natural_generator:
        movl    b.1745(%rip), %eax
        leal    1(%rax), %edx
        addl    $2, %eax
        movl    %edx, b.1745(%rip)
        ret

(该代码与您问题中的示例不同，因为启用了优化。一般来说，只查看优化输出是个好主意，因为如果不进行优化，编译器通常会生成糟糕的代码，这些代码会做很多无用的事情。另请注意，不需要使用 -fPIC 标志，因为无论如何编译器都会生成 64 位位置独立代码。)

注意 64 位版本中如何少了两条汇编指令，使其成为不太复杂的版本。您还可以看到代码使用了一个较少的寄存器 (ECX)。虽然它对您的代码没有太大影响，但在一个更复杂的示例中，它是一个可以用于其他用途的寄存器。这使得代码更加复杂，因为编译器需要处理更多的寄存器。