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学习汇编语言,首先必须了解两个知识点:寄存器和内存模型。

寄存器

对pc略懂的同学都知道,CPU自己里面有一个寄存器,这里我们先明白一下何为寄存器。

CPU不直接和内存读写数据

CPU 本身只负责运算,不负责储存数据。数据一般都储存在内存之中,CPU 要用的时候就去内存读写数据。但是,CPU 的运算速度远高于内存的读写速度,为了避免被拖慢,CPU 都自带一级缓存和二级缓存。基本上,CPU 缓存可以看作是读写速度较快的内存。

但是,CPU 缓存还是不够快,另外数据在缓存里面的地址是不固定的,CPU 每次读写都要寻址也会拖慢速度。因此,除了缓存之外,CPU 还自带了寄存器(register),用来储存最常用的数据。也就是说,那些最频繁读写的数据(比如循环变量),都会放在寄存器里面,CPU 读写寄存器,再由寄存器跟内存交换数据。
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寄存器的种类

我们常常说内存地址,但是寄存器不依靠地址区分数据,而依靠名称。每一个寄存器都有自己的名称,我们告诉 CPU 去具体的哪一个寄存器拿数据,这样的速度是最快的。

x64的寄存器

寄存器
这个普通的最左边是我们经常用的,是通用寄存器,64位处理器,那么一个寄存器就是可以存64bit即8字节的数据。32位的即4字节。64太复杂了,我们看一看32位的。

x86的寄存器

早期的 x86 CPU 只有8个寄存器,而且每个都有不同的用途。现在的寄存器已经有100多个了,都变成通用寄存器,不特别指定用途了,但是早期寄存器的名字都被保存了下来。

  1. EAX
  2. EBX
  3. ECX
  4. EDX
  5. EDI
  6. ESI
  7. EBP
  8. ESP

上面这8个寄存器之中,前面七个都是通用的。ESP 寄存器有特定用途,保存当前 Stack 的地址.

x64如何兼容x86

我们看前一张图片,RAX到RSP,都被砍成了两半,他们的低32位来当x86的寄存器。

内存模型:Heap 堆

寄存器只能存放很少量的数据,大多数时候,CPU 要指挥寄存器,直接跟内存交换数据。所以,除了寄存器,还必须了解内存怎么储存数据

程序运行的时候,操作系统会给它分配一段内存,用来储存程序和运行产生的数据。这段内存有起始地址和结束地址,比如从0x1000到0x8000,起始地址是较小的那个地址,结束地址是较大的那个地址。
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程序运行过程中,对于动态的内存占用请求(比如新建对象,或者使用malloc命令),系统就会从预先分配好的那段内存之中,划出一部分给用户,具体规则是从起始地址开始划分(实际上,起始地址会有一段静态数据,这里忽略)。举例来说,用户要求得到10个字节内存,那么从起始地址0x1000开始给他分配,一直分配到地址0x100A,如果再要求得到22个字节,那么就分配到0x1020。
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这种因为用户主动请求而划分出来的内存区域,叫做 Heap(堆)。它由起始地址开始,从低位(地址)向高位(地址)增长。Heap 的一个重要特点就是不会自动消失,必须手动释放,或者由垃圾回收机制来回收

内存模型:Stack 栈

除了 Heap 以外,其他的内存占用叫做 Stack(栈)。简单说,Stack 是由于函数运行而临时占用的内存区域
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例子

只有一个main函数

int main() {
   int a = 2;
   int b = 3;
}

上面代码中,系统开始执行main函数时,会为它在前面的栈内存里面建立一个帧(frame),所有main的内部变量(比如a和b)都保存在这个帧里面。main函数执行结束后,该帧就会被回收,释放所有的内部变量,不再占用空间。
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如果在调用其他函数

int main() {
   int a = 2;
   int b = 3;
   return add_a_and_b(a, b);

上面代码中,main函数内部调用了add_a_and_b函数。执行到这一行的时候,系统也会为add_a_and_b新建一个帧,用来储存它的内部变量。也就是说,此时同时存在两个帧:main和add_a_and_b。一般来说,调用栈有多少层,就有多少帧。
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add_and_b 结束时

等到add_a_and_b运行结束,它的帧就会被回收,系统会回到函数main刚才中断执行的地方,继续往下执行。通过这种机制,就实现了函数的层层调用,并且每一层都能使用自己的本地变量。

总的来说

所有的帧都存放在 Stack,由于帧是一层层叠加的,所以 Stack 叫做栈。生成新的帧,叫做"入栈",英文是 push;栈的回收叫做"出栈",英文是 pop。Stack 的特点就是,最晚入栈的帧最早出栈(因为最内层的函数调用,最先结束运行),这就叫做"后进先出"的数据结构。每一次函数执行结束,就自动释放一个帧,所有函数执行结束,整个 Stack 就都释放了。
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Stack 是由内存区域的结束地址开始,从高位(地址)向低位(地址)分配。比如,内存区域的结束地址是0x8000,第一帧假定是16字节,那么下一次分配的地址就会从0x7FF0开始;第二帧假定需要64字节,那么地址就会移动到0x7FB0。
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栈和堆的区别

  • 管理方式不同。栈由操作系统自动分配释放,无需我们手动控制;堆的申请和释放工作由程序员控制,容易产生内存泄漏;
  • 空间大小不同。每个进程拥有的栈的大小要远远小于堆的大小。理论上,程序员可申请的堆大小为虚拟内存的大小,进程栈的大小 64bits 的 Windows 默认 1MB,64bits 的 Linux 默认 10MB;
  • 生长方向不同。堆的生长方向向上,内存地址由低到高;栈的生长方向向下,内存地址由高到低。
  • 分配方式不同。堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。栈有2种分配方式:静态分配和动态分配。静态分配是由操作系统完成的,比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由操作系统进行释放,无需我们手工实现。
  • 分配效率不同。栈由操作系统自动分配,会在硬件层级对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。堆则是由C/C++提供的库函数或运算符来完成申请与管理,实现机制较为复杂,频繁的内存申请容易产生内存碎片。显然,堆的效率比栈要低得多

结语

本文几乎转载别人的文章,自己这边没有比较厉害的书。
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原文链接:https://yingwiki.top/2020/12/05/汇编语言寄存器和内存模型
最后更新于:  292  天前,内容可能已经不具有时效性,请谨慎参考。

Q.E.D.


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