iOS 汇编入门 - arm64基础

2022-10-23 18:31:22

前言

iOS 中常见的架构有 armv7、armv7s、arm64、i386、x86_64 这些。其中， armv7 、armv7s 、arm 64 都是 ARM 处理器的指令集，i386 、x86_64 是 Mac 处理器的指令集这些指令集对应的机型有以下这些：

arm64e:   iphone XS | iphone XS Max | iPhoneXR
arm64:    iPhone 8 | iPhone 8 Plus | iPhone X | iPhone 7/7 Plus | iPad (2018) | iPhone 6/6S | iPhone 6/6S Plus | iPhone 5s
armv7s:   iPhone 5 | iPhone5C | iPad4(Retina屏) |
armv7:    iPhone 4 | iPhone4S | iPad 2/3 | iPad mini | iPod Touch 3G | iPod Touch4
armv7/armv7s/i386 架构使用的是 32 位的处理器
arm64/x86_64 架构使用的是 64 位的处理器

查看 framework 包含的架构命令：lipo

基本概念

汇编里面涉及到最多的就是寄存器、栈和指令这 3 个。

寄存器：

寄存器是 CPU 中的高速存储单元，存取速度比内存快很多。常用的寄存器有以下这些：

寄存器	描述
r0 - r30	通用整形寄存器，64 位，当使用 x0 - x30 访问时，代表的是 64 位的数；当使用 w0 - w30 访问的时候，访问的是这些寄存器的低 32 位
fp(x29)	保存栈帧地址（栈底指针）
lr(x30)	通常称x30为程序链接寄存器,保存子程序结束后需要执行的下一条指令
sp	保存栈指针，使用 sp/wsp 来进行对 sp 寄存器的访问
pc	pc 寄存器中存的是当前执行的指令的地址，在 arm64 中，软件是不能改写 pc 寄存器的
SPRs	状态寄存器，存放状态标识，可分为 CPSR (The Current Program Status Register) 和 SPSRs（The Save Program Status Registers）。一般都是使用 CPSR，当发生异常时，CPSR 会存入 SPSR。当异常恢复，再拷贝回 CPSR
zr	零寄存器，里面存的是 0 （zero register）一般使用 wzr/xzr ,w 代表 32位，x 代表 64 位
v0 - v31	向量寄存器，也可以说是浮点型寄存器，每个寄存器大小是 128 位，可以用 Bn Hn Sn Dn Qn 来访问不同的位数（8 16 32 64 128）

Note: x0 - x7 ：用于子程序调用时的参数传递，超过八个会放到栈上传递 x0 和 w0 是同一个寄存器的不同尺寸的区别，x0 为 8 字节，w0 为 4 字节（x0 寄存器的低4字节），x0/w0 还用于返回值的传递

指令：

运算指令：

mov    x1，x0         ;将寄存器x0值 赋值 给x1
add    x0，x1，x2     ;x0 = x1 + x2
sub    x0，x1，x2     ;x0 = x1 - x2
mul    x0，x1，x2     ;x0 = x1 * x2
sdiv   x0，x1，x2     ;x0 = x1 / x2;

and    x0，x0，#0xF    ;x0 = x0 & #0xF （与操作）
orr    x0，x0，#9      ;x0 = x0 | #9   （或操作）
eor    x0，x0，#0xF    ;x0 = x0 ^ #0xF （异或操作）

寻址指令： 分为两种，存和取 L 打头的基本都是取值指令，如 LDR（Load Register）、LDP（Load Pair） S 打头的基本都是存值指令，如 STR（Store Register）、STP（Store Pair）

ldr    x0,[x1]               ;从 x1 指向的地址里面取出一个64位大小的数存入x0
ldp    x1,x2,[x10, #0x10]    ;从 x10+0x10 指向的地址里面取出2个64位的数，分别存入x1、x2
str    x5,[sp, #24]          ;往内存中写数据（偏移值为正）, 把 x5 的值（64位的数值）存到 sp+24 指向的地址内存上
stur   w0,[x29, #0x8]        ;往内存中写数据（偏移值为负），将 w0 的值存储到 x29 - 0x8 这个地址里
stp    x29,x30,[sp, #-16]!   ;把 x29、x30 的值存到 sp-16 的地址上，并且把sp-=16  Note:后面有个感叹号的，然后没有stup这个指令哈
ldp    x29,x30,[sp],#16      ;从 sp 地址取出16 byte数据，分别存入x29、x30,然后 sp+=16

「寻址」的格式分为下面3种类型：

mov x0
[x10, #0x10]        ;从 x10+0x10 的地址取值
[sp, #-16]!         ;从 sp-16 地址取值，取完后再把 sp-16 writeback 回 sp
[sp], #16           v从 sp 地址取值，取完后把 sp+16 writeback 回 sp

跳转指令

bl/b     bl 是有返回的跳转；b 是无返回的跳转

1.有返回的意思就是会存 lr ，存了 lr 也就意味着可以返回到本方法继续执行，一般用于不同方法直接的调用； 2.无返回的一般是方法内的跳转，如 while 循环，if else 等。

跳转指令一般还伴随着条件，以实心点.开头的都是表示条件，如 b.ne ，一般用于 if else 。常见的条件码有以下这些：

数据来源：here

内存模型：

堆：在了解栈之前先来了解一下堆（Heap）。由于寄存器只能存放少量数据，在大多数时候，CPU 跟指挥寄存器跟内存交换数据。所以除了寄存器，还必须了解内存是怎么存储数据的。程序运行的时候，操作系统会给它分配一段内存，用来存储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。

程序运行过程中，对于动态占用请求（比如新建对象，或者使用 malloc ），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，用户申请10个字节的内存，那么从起始地址0x1000开始给他分配，一直分配到0x100A，如果再申请22个字节，那么就分配到0x1020。

这种因为用户主动请求而划分出来的内存区域，叫做堆（Heap）。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。栈除了堆（Heap）以外，其他的内存占用叫做栈（Stack）。简单来说，栈是由于函数运行而临时占用的内存区域，是一种往下（低地址）生长的数据结构。

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

上面的代码中，系统开始执行 main 函数的时，会为它在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。

如果 main 函数内部又调用了其他函数，情况又会是怎样呢？

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

上面的代码中，main 函数内部调动了 test 函数。当执行到这一步的时候，系统也会为 test 新建一个帧，用来存储它的内部变量。也就是说，此时同时存在两个帧：main 和 test。一般来说，调用栈有多少层，就有多少帧。

等到 test 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。 栈（Stack）是有内存区域的结束地址开始，从高位（地址）向低位（地址）分配的。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。

实战了解完以上的基础知识之后，下面就用一个简单的例子了解汇编的栈操作。

// hello.c
#include <stdio.h>
int test(int a, int b) {
  int res = a + b;
  return res;
}
int main() {
  int res = test(1, 2);
  return 0;
}

使用clang命令将其编译成arm64指令集汇编代码

clang -S -arch arm64 -isysroot `xcrun --sdk iphoneos --show-sdk-path` hello.c

可以看到完整的汇编如下：

.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.build_version ios, 13, 2 sdk_version 13, 2
.globl _test                   ; -- Begin function test
.p2align 2
_test:                                  ; @test
.cfi_startproc
; %bb.0:
sub sp, sp, #16             ; =16
.cfi_def_cfa_offset 16
str w0, [sp, #12]
str w1, [sp, #8]
ldr w0, [sp, #12]
ldr w1, [sp, #8]
add w0, w0, w1
str w0, [sp, #4]
ldr w0, [sp, #4]
add sp, sp, #16             ; =16
ret
.cfi_endproc
                                        ; -- End function
.globl _main                   ; -- Begin function main
.p2align 2
_main:                                  ; @main
.cfi_startproc
; %bb.0:
sub sp, sp, #32             ; =32
stp x29, x30, [sp, #16]     ; 16-byte Folded Spill
add x29, sp, #16            ; =16
.cfi_def_cfa w29, 16
.cfi_offset w30, -8
.cfi_offset w29, -16
stur wzr, [x29, #-4]
orr w0, wzr, #0x1
orr w1, wzr, #0x2
bl _test
str w0, [sp, #8]
mov w0, #0
ldp x29, x30, [sp, #16]     ; 16-byte Folded Reload
add sp, sp, #32             ; =32
ret
.cfi_endproc
                                        ; -- End function
.subsections_via_symbols

先看第一部分：

 .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.build_version ios, 13, 2 sdk_version 13, 2
.globl _test                   ; -- Begin function test
.p2align 2

代码中类似 .section 或者 .globl 等以 ‘.' 开头的被称之为编译指令，用于告知编译器相关的信息或者进行特定操作。

.section 里面的 __TEXT,__text 字段用来存放代码指令 .build_version 是编译版本信息 .globl _test 声明了全局变量（函数） ; -- Begin function test 分号后面是注释的意思 .p2align 2 用于指定程序的对齐方式，这类似于结构体的字节对齐，为的是加速程序的执行速度，p2align 的单位是指数，即按照 2 的 n 次方对齐，这里的 .p2align 2 表示按照 2^2 = 4 字节对齐，如果单行指令数据长度不足4字节，将用 0 补全，超过 4 但不是 4 的倍数，则按照最小倍数补全 _test、_main 称之为标签（label），用于辅助定位代码或者资源地址，也方便开发者理解和记忆

再接着往下看

.cfi_startproc    ;定义函数开始
.cfi_endproc      ;定义函数结束
.cfi_xxx          ;call frame information xxx, cfi 是 DWARF 2.0 定义的函数栈信息，用来告诉编译器生成响应的 DWARF 调试信息，主要是和函数有关。

汇编中的如下部分被称为方法头（prologue），用于保存上一个方法调用栈帧的帧头，以及预留部分用于局部变量的栈空间。

sub sp, sp, #32             ; =32
stp x29, x30, [sp, #16]     ; 16-byte Folded Spill
add x29, sp, #16            ; =16

汇编中的如下部分被称为方法尾（epilogue），用于取出方法头中栈帧信息及方法的返回地址，并将栈恢复到调用前的位置

ldp	x29, x30, [sp, #16]     ; 16-byte Folded Reload
add	sp, sp, #32             ; =32
ret

先看 test 函数的实现：

 //源代码
 int test(int a, int b) {
    int res = a + b;
    return res;
 }


 //汇编
 sub	sp, sp, #16             ; =16
 .cfi_def_cfa_offset 16
 str	w0, [sp, #12]
 str	w1, [sp, #8]
 ldr	w0, [sp, #12]
 ldr	w1, [sp, #8]
 add	w0, w0, w1
 str	w0, [sp, #4]
 ldr	w0, [sp, #4]
 add	sp, sp, #16             ; =16
 ret

在编译器生成汇编时，会首先计算需要的栈空间大小，并利用 sp （stack pointer）指针指向低地址开辟相应的空间。从 test 函数可以看到这里涉及了3个变量，分别是 a、b、res，int变量占据4个字节，因此需要12个字节，但 ARM64 汇编为了提高访问效率要求按照16字节进行对齐，因此需要16 byte 的空间，也就是需要在栈上开辟16字节的空间，可以看汇编的第一句，正是将 sp 指针下移16字节。

sp （stack pointer）是栈指针，永远指向栈顶！

sub sp, sp, #16             ; =16

接着看下面这2句：

str w0, [sp, #12]
str w1, [sp, #8]

这2句的意思是，将 w0 存储在 sp+12 的地址指向的空间，w1 存储在 sp+8 存储的空间里，寄存器x0~x7用于子程序调用时的参数传递，按顺序入参。 x0 和 w0 是同一个寄存器的不同尺寸形式，x0为8字节，w0为x0的前4个字节，因此w0是函数的第一个入参a，w1是函数的第二个入参b，正如上文栈一节提到的，由于栈的存储是从高地址向低地址分配的，所以a将占据 sp+12 ~ sp+16 这4个字节的空间，b将占据 sp+8 ~sp+12 这4个字节的空间，栈结构图变为如下所示：

接下来 test 函数内部将 a 和 b 进行相加，需要注意的是，只有寄存器才能参与运算，因此接下来的汇编代码又将变量的值从内存中读出来，再进行相加运算。

ldr w0, [sp, #12]
ldr w1, [sp, #8]
add w0, w0, w1

到这里可能会纳闷，先存储在读取后运算，感觉这一步很多余，确实是这样的，因为这是没有进行编译优化的结果，为了是能够更好的学习和了解汇编的工作机制。计算完成之后将结果存储到了w0寄存器，地址是 sp+4

str w0, [sp, #4]

接下来就要进行返回操作了，上文中我们提到，函数的返回值一般存储在 x0/w0 寄存器中返回的，这里也可以看到它将返回值res载入到了x0/w0 寄存器了

ldr w0, [sp, #4]

最后就是将栈还原，并返回到函数调用处继续向下执行。

add sp, sp, #16             ; =16
ret

显然，经过这样的操作，栈被完全还原到了函数调用以前的样子，需要注意的细节是，栈空间中的内存单元并未被清空，这就导致下一次使用栈时，未初始化单元的值是不确定的，这也就是局部变量不初始化会出现随机值的根本原因。接着，再看看 main 函数的汇编代码就变得很好理解了：

sub sp, sp, #32             ; =32
stp x29, x30, [sp, #16]     ; 16-byte Folded Spill
add x29, sp, #16            ; =16
----------------------------------------------------prologue-----------------------------------------------------------------
.cfi_def_cfa w29, 16
.cfi_offset w30, -8
.cfi_offset w29, -16
stur wzr, [x29, #-4]        
orr w0, wzr, #0x1
orr w1, wzr, #0x2
bl _test
str w0, [sp, #8]
mov w0, #0
----------------------------------------------------epilogue-----------------------------------------------------------------
ldp x29, x30, [sp, #16]     ; 16-byte Folded Reload
add sp, sp, #32             ; =32
ret

附录：对于 sp 指针和栈哪边是header哪边是tail还有疑问的可以看下《Advanced Apple Debugging & Reverse Engineering》这本书的一节，给截了个图过来了，如下：