本文主要对main函数编译后生成的汇编码进行观察，为了简单起见，main函数的内容为空。实验方法如下：首先在不同环境下编译源代码，收集生成的可执行文件；随后将可执行文件使用IDA Pro(版本为5.5，这里赞一下强大的IDA！)进行反汇编；最后观察main函数的汇编码(所有汇编码格式都是Intel风格的)，进行分析与比较。本文重点在于讨论一些最基本的概念，有助于读者熟悉各种环境生成的汇编码，更好地进行二进制分析。需要注意的是，在C语言的层面来看，main函数是程序的起始入口，但实际上对于可执行文件来说，CPU真正执行的第一条指令往往并不是main函数汇编码的第一条指令，这里仅分析main函数的汇编码，对于可执行文件中的其他部分就忽略不谈了。

源代码

    int main()

    {

     return 0;

    }

VC环境

winxpsp3+vc2010_release

    

    首先以vc2010(Microsoft Visual C++ 2010 Express)release模式生成的可执行文件为例，上图为main函数的汇编码，可以看到，内容十分简单。

    第一条指令xor eax,eax是对eax进行异或运算，这是对寄存器赋0值的一种常见形式，通常约定把函数的返回值放在eax中返回(32位，16位放在ax中)，因此可见这是在为return 0;语句做准备；第二条指令retn是过程近(near)返回指令，从堆栈弹出返回地址压到eip中，与之对应的还有远(far)返回指令retf，首先弹出eip，然后弹出cs(其实，对于现代操作系统来讲，每个进程都有其单独的相同的逻辑地址空间，段寄存器的值由操作系统设定且固定，与之相关的汇编指令也就很少再使用了)，而指令ret根据PROC伪指令，自动判断是近返回还是远返回(当然，从可执行文件是看不到伪指令的)。

    仅看main函数的汇编指令，可以说和C语言的源代码是一样的简单。

    接着观察vc2010debug模式生成的可执行文件的汇编码，见上图，可以看到相比release模式要复杂许多，之所以会有这样的区别，是因为在debug模式包含有调试信息，且未进行优化，release模式把一些执行过程优化掉了。

    下面简单解释一下代码的含义：

    因为main函数也是函数，所以它与函数的执行过程相同：调用前传递函数参数(本例中没有参数)，进入时为函数的局部变量分配空间，并在退出时释放这些空间。这里要介绍一下栈帧(stack frame)的概念，栈帧，也称为活动记录(activation record)，它是为传递的参数、子例程的返回地址、局部变量和保存的寄存器保留的堆栈空间。栈帧的两端是以两个指针定界的，寄存器ebp作为帧指针，表示栈帧的底部，等于函数调用前运行栈的栈顶指针的值，在函数调用过程中不改变其值，当函数调用结束时可以通过帧指针的值将栈帧空间释放掉；寄存器esp是运行栈的栈顶指针，同时也表示栈帧的顶部，在运行时是可以改变的(见下图)。

    第一条汇编码push ebp首先保存ebp的值，因为马上将使用它作为帧指针；第二条汇编码mov ebp,esp将ebp赋为当前的栈顶指针，也就是帧指针，从这时开始，ebp就被作为寻址所有子例程参数的基址指针使用了；第三条汇编码sub esp,0C0h是将栈(也是栈帧)扩大0C0h大小，但此时并没有在其中填充内容，这样做通常是为了给局部变量留出空间，这里明明没有任何局部变量，那0C0h大小是如何跑出来的呢，稍后将解释这个问题。

    根据惯例，eax、edx、ecx的值由调用方负责保存，即在函数内部这3个寄存器可以随便使用；而ebx、esi、edi的值由被调用方负责保存，使用之前必须将原先的值保存到栈中，这也是为什么接下来的3条代码将这3个寄存器分别压入栈中的原因。

    接下来的几条指令是专门用作调试。lea edi,[ebp+var_C0]实际上就是把地址存入到edi中，地址的值就是刚才留出0C0h大小的区域的最低位置；接着对ecx赋值为30h；对eax赋值为0CCCCCCCCh；最后执行指令rep stosd，这条指令的含义是将stosd这条指令重复ecx(即30h)次，而stosd指令的含义是将eax的值(0CCCCCCCCh)复制到内存中，内存的地址为es:edi，每次执行后edi改变，这条指令合在一起的意思就是将es:edi为起始地址，大小为ecx*4的内存的所有字节均设为0CCh，就是把刚才留出的0C0h(30h * 4 = 0C0h)的空间全部填为0CCh。

    只所以这样做是为了便于调试：0CCh是汇编指令int 3的二进制码，这条指令的意思是调用3号中断服务程序，会产生一个断点，如果想感受一下实际的运行效果可以用下面的代码：

    int main()

    {

    __asmint 3;

    return 0;

    }

     而将一大片区域都设置成为断点的意义在于：若程序存在漏洞，执行时可能会误执行这片区域中的内容，因为这片区域内容都是0CCh，运行时立刻报错，便于发现漏洞，说白了就是在栈中有用的数据旁边附着陷阱，一个正确的程序执行是绝不会踏入陷阱中的。

    这个过程结束之后，就是之前介绍过的xor eax,eax，如果这个main函数有其他语句，那汇编出来的代码就会在rep stosd与xoe eax,eax之间。接着还原edi、esi、ebx寄存器的值。

    此时函数的执行已经基本结束，之前开辟出的栈帧的使命已经结束，mov esp,ebp将esp恢复到函数调用前的状态，接着恢复ebp，最后返回，整个过程结束。

    此外，由于栈帧的创建与释放十分普遍，intel提供了两条简化的汇编指令enter和leave。其中，enter imm,0与push ebp; mov ebp,esp; sub esp,imm相等价；leave与mov esp,ebp; pop ebp相等价。

winxpsp3+vc2008_debug

    情况与vc2010下完全相同，没有看出编译器的变化。

win7+vc2010_release

    情况与winxp下的相同，但虽然找到了main函数，却不知为何没有对其进行命名。虽然vc的版本是VS2010pro，但按说编译器应该是相同的。

win7+vc2010_debug

    与release模式相同，仅是main名称没有识别出来的问题。

GCC模式

    以下实验使用的编译命令均为gcc -o test test.c。

Ubuntu10.04+linux2.6.32+gcc4.4.3

    汇编码见上图，结合上面讲述的栈帧概念很好理解。如果仔细留意的话，会发现与vcdebug的汇编码相比，这里没有对edi、esi、ebx的保存与回复操作，而且因为没有用到esp，所以最后也没有mov esp,ebp的操作。

    我又设优先级为O0(gcc默认的优先级是O1)重新编译了一遍，发现结果是相同的，看来gcc编译时会记录寄存器的使用情况。

    我又以优先级O2、O3重新编译，结果如下图(两个结果相同)：发现首先mov eax,0变成xor eax,eax，异或运算执行速度要快于传送运算；接着发现这条优化后的指令位置向上移动，跑到了mov ebp,esp指令的上面，这个原因我就不清楚了。

Ubuntu9.04+linux2.6.28+gcc4.3.3

    再来看一个较低版本的，先是O0(O1相同)的(见左下图)：

    可以看到比上一个版本情况复杂了不少，而且还有错误信息提示(见最后一行)，说是栈指针(stack pointer)分析失败(sp-analysis failed)，造成这个错误的原因是因为堆栈不平衡而导致的，在IDA中点击Options->General->Disassembly，将选项stack pointer打勾，汇编码就会显示栈指针的情况，如右上图，最后一条指令retn前为“004”而不是“000”，因此会报错，接下来我们分析一下这段汇编码的含义：

汇编指令	解释
lea ecx, [esp+arg_0]	将esp加4的得到的地址存入ecx，即ecx指向第1个参数
and esp, 0FFFFFFF0h	这里调整esp的值，使之末4位0(即按16字节对齐)
push dword ptr [ecx-4]	将最开始esp所指的地址的值(即函数返回地址)入栈
push ebp和mov ebp, esp	建立栈帧
push ecx	压入ecx(即old esp+4)保存，这条指令之后进入main函数
mov eax,0	由于我们的main函数没有内容，所以直接开始返回操作
pop ecx和pop ebp	恢复ecx(即old esp+4)与ebp
lea esp, [ecx-4]和retn	恢复esp然后返回

    看到这里，你会发现esp在执行前后是相同的，其实当main函数中出现了跳转指令后，错误提示就消失了，也许这只是IDA的一个bug吧。见左下图：

    可以看到，同一条指令lea esp, [ecx-4]在不同的函数中其栈指针的变化居然不同，因此大家不必为这个错误提示而在意。

    这段代码多出来一个push操作：push dword ptr [ecx-4]。它是做什么用的，我只能做如下解释：

    首先先了解一下call指令的操作(前面已经提到过，即使是main函数，实际也是被另一个函数使用call调用)，call指令将下一条指令的地址(即eip寄存器中的值，就是函数返回地址)压入栈中(即push eip)，然后将控制转移到目的地址(即eip=目的地址)。

    回忆栈帧的示意图可以得知，栈中函数返回地址标志着调用帧的结束，而创建栈帧第一步压入栈的ebp标志着被调用帧的开始，它们之间形成一条分界线。如右上图黑色的粗线：

    而现在在push ebp之前要进行16字节的对齐操作，栈中压入的eip与ebp就可能存在一个空隙，也许是为了保证栈帧格式的完整性，在对齐操作之后，push ebp之前，重新压入一次返回地址，因此增加了一条push dword ptr [ecx-4]，ecx-4指向的就是返回地址。注意，我说的只是也许，因为我几次测试也没有发现为什么要压入这个返回地址，只能做这样的猜测。

Mac OS X 10.6.4+x64+gcc4.2.1

    最后分析mac下的情况，如左上图所示(优先级为O0，O1)，出现了没有见过的rbp，rsp；其实这是64位的寄存器，它们的作用分别与32位的寄存器ebp，esp相对应；其实原先的通用e系列通用寄存器都有与之对应的r系列寄存器，此外intel64位模式还新增了8个通用寄存器(r8-r15)，以后有机会我会测试mac下的gcc有没有针对64位作出专门的优化，使用这些新增的寄存器。

    右上图为优先级O2、O3的结果，用异或操作取代了传送操作，很简单。

总结

    这篇文章展示了一些常见环境下main函数的汇编码，并简单的进行分析，内容比较粗浅。其实只要能完全理解栈帧的概念，不管将来遇到什么样的函数汇编码，都能轻松突破各种混乱的操作，找到其关键内容，这也正是本文的初衷。今后经过进一步的学习，我还将尝试完整地解析各个操作系统的可执行文件的内容，而不仅仅只是一个空的main函数。

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