在C++中内嵌汇编代码分析
在C++中内嵌汇编代码分析
write by九天雁翎(JTianLing) – www.jtianling.com
用JAVA或者Python的人常常会告诉你，现在的硬件已经太快了，以至于你可以完全不再考虑性能，快速的开发才是最最重要的。这是个速食者的年代，什么都是，甚至是编程。
但是。。。。。。永远有但是，任何C/C++程序员在工作一段时间后都会发现，不关心性能的C/C++程序员是干不下去的。。。。。C语言的程序员犹甚，C++的程序员也许还可以光靠着MFC等类库混口饭吃。。。
C/C++程序员常常会发现自己只有有限的内存，要占用更小的CPU资源（或者仅仅只有速度非常有限的嵌入式CPU可用），但是却得完成非常复杂的任务，这时候能够利用的工具却非常有限。。。唯一可能有用的就是自己的大脑。。。呵呵，改进算法永远是最重要的，但是一个非常优秀的算法也没有办法满足要求的时候，你再剩下的东西可能就是无限的优化原有的C/C++代码，接着就是汇编了。
这里从内嵌汇编将起，然后讲讲用MASM独立编译，然后链接的方法，都以VS2005为例子，其他编译器请参考。
内嵌汇编：
内嵌汇编的使用是很简单并且方便的，在VS中以的形式就可以简单的使用。对于此语法我没有必要再多说了，各类资料都有介绍，可以参考参考《加密与解密》（第3版）附录2.这里想举几个的函数的调用例子来说明一下，因为在函数调用时需要特别注意调用的约定，各类调用约定有不同的规矩需要留意，因为一旦使用了汇编，出现问题没有东西可以保护你，唯一可以看到的就是程序崩溃。
对于各类调用约定也可以参考《加密与解密》（第3版），其中的分类还比较详细。
我在《 反汇编时的函数识别及各函数调用约定的汇编代码分析》，《 C++中通过指针,引用方式做返回值的汇编代码分析》中也有一些实例的分析，但是不能代替完整的说明，仅供参考。
http://www.jtianling.com/archive/2009/01/20/3844768.aspx
http://www.jtianling.com/archive/2009/01/20/3844520.aspx
以下形式就是最方便的内嵌汇编用法：
__asm
{
}
例1：
// 仅仅返回参数
int __cdecl GetArgument(int ai)
{
int li = 0;
__asm
{
mov eax, ai;
mov li, eax
}
return li;
}
以上程序就是一个仅仅返回参数的函数，用__cdecl调用约定，需要注意的是，mov li, ai的形式是不允许的。。。。与在普通汇编中不允许从内存mov到内存的限制一致。
其实上面的例子中，程序可以优化为如下形式：
例2：
// 仅仅返回参数
int __cdecl GetArgument(int ai)
{
__asm
{
mov eax, ai
}
}
在函数中没有指定返回值时，eax就是返回值了。。。这和普通的汇编代码一致。。。。顺便看看生成的代码：
printf("%d/n",GetArgument(100));
0041142E push 64h
00411430 call GetArgument (41100Ah)
00411435 add esp,4
足够人性化的，栈由编译器自动的平衡了，不需要我们额外操心，这是很愉快的事情。
再看例三：
// 仅仅返回参数
int __stdcall GetArgument(int ai)
{
__asm
{
mov eax, ai
}
}
这次改成了__stdcall，那么编译器还会帮我们吗？答案还是肯定的。所以也可以放心用。
调用时：
0041142E push 64h
00411430 call GetArgument (4111DBh)
00411435 mov esi,esp
原函数：
// 仅仅返回参数
int __stdcall GetArgument(int ai)
{
004113C0 push ebp
004113C1 mov ebp,esp
004113C3 sub esp,0C0h
004113C9 push ebx
004113CA push esi
004113CB push edi
004113CC lea edi,[ebp-0C0h]
004113D2 mov ecx,30h
004113D7 mov eax,0CCCCCCCCh
004113DC rep stos dword ptr es:[edi]
__asm
{
mov eax, ai
004113DE mov eax,dword ptr [ai]
}
}
004113E1 pop edi
004113E2 pop esi
004113E3 pop ebx
004113E4 add esp,0C0h
004113EA cmp ebp,esp
004113EC call @ILT+330(__RTC_CheckEsp) (41114Fh)
004113F1 mov esp,ebp
004113F3 pop ebp
004113F4 ret 4
其实只关心外部调用者没有维持栈平衡，而函数内部最后的ret 4就够了，完全符合__stdcall的定义。
再接下来呢？thiscall?
int GetArgument(int ai)
{
00411450 push ebp
00411451 mov ebp,esp
00411453 sub esp,0CCh
00411459 push ebx
0041145A push esi
0041145B push edi
0041145C push ecx
0041145D lea edi,[ebp-0CCh]
00411463 mov ecx,33h
00411468 mov eax,0CCCCCCCCh
0041146D rep stos dword ptr es:[edi]
0041146F pop ecx
00411470 mov dword ptr [ebp-8],ecx
__asm
{
mov eax, ai
00411473 mov eax,dword ptr [ai]
add eax, [ecx]
00411476 add eax,dword ptr [ecx]
}
}
00411478 pop edi
00411479 pop esi
0041147A pop ebx
0041147B add esp,0CCh
00411481 cmp ebp,esp
00411483 call @ILT+330(__RTC_CheckEsp) (41114Fh)
00411488 mov esp,ebp
0041148A pop ebp
0041148B ret 4
最后的结果也是正确的，也符合ecx为this指针，并且函数内部维护栈的约定，这个例子也许得将测试程序也贴出来：
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
CTestThisCall lo(20);
printf("%d/n",lo.GetArgument(10));
system("PAUSE");
return 0;
}
得出的结果是30，结果是正确的。
然后呢？fastcall?
见例4：
int __fastcall GetArgument(int ai)
{
__asm
{
mov eax, ecx
}
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
printf("%d/n",GetArgument(10));
system("PAUSE");
return 0;
}
结果也是正确的，fastcall的规则在VC中是已知的，但是在很多编译器中实现并不一样，所以很多书籍推荐最好不要使用fastcall来内嵌汇编，因为你不知道到底fastcall到底会使用哪些寄存器来传递参数。
MSDN中有如下描述：
In general, you should not assume that a register will have a given value when an __asm block begins. Register values are not guaranteed to be preserved across separate __asm blocks. If you end a block of inline code and begin another, you cannot rely on the registers in the second block to retain their values from the first block. An __asm block inherits whatever register values result from the normal flow of control.
If you use the __fastcall calling convention, the compiler passes function arguments in registers instead of on the stack. This can create problems in functions with __asm blocks because a function has no way to tell which parameter is in which register. If the function happens to receive a parameter in EAX and immediately stores something else in EAX, the original parameter is lost. In addition, you must preserve the ECX register in any function declared with __fastcall.
To avoid such register conflicts, don’t use the __fastcall convention for functions that contain an __asm block. If you specify the __fastcall convention globally with the /Gr compiler option, declare every function containing an __asm block with __cdecl or __stdcall. (The __cdecl attribute tells the compiler to use the C calling convention for that function.) If you are not compiling with /Gr, avoid declaring the function with the __fastcall attribute.
在《加密与解密》中有适当的翻译。。。。我就不翻译了，应该能看懂吧。其实大意就是最好别用fastcall，原因主要是不知道哪个寄存器用来传递参数，假如一个函数中你需要使用ecx一定要记得将其还原。。。呵呵，这个道理很简单，因为一个参数的时候fastcall必定是由ecx来传递参数的。两个参数就是ecx,edx，起码在VS2005中是这样。虽然个人没有感觉用起来有多大的风险，但是文中甚至提及可能通过eax传递参数。。（应该是在优化的时候），所以假如真的用了fastcall，请看汇编代码确认一下，以防万一。
再见一个更详细的例5：
int __fastcall GetArgument(int ai1, int ai2, int ai3)
{
__asm
{
mov eax, ecx
add eax, edx
add eax, [ebp+8]
}
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
printf("%d/n",GetArgument(10, 20, 30));
system("PAUSE");
return 0;
}
反汇编：
printf("%d/n",GetArgument(10, 20, 30));
00411ACE push 1Eh
00411AD0 mov edx,14h
00411AD5 mov ecx,0Ah
00411ADA call GetArgument (4111F4h)
int __fastcall GetArgument(int ai1, int ai2, int ai3)
{
004130B0 push ebp
004130B1 mov ebp,esp
004130B3 sub esp,0D8h
004130B9 push ebx
004130BA push esi
004130BB push edi
004130BC push ecx
004130BD lea edi,[ebp-0D8h]
004130C3 mov ecx,36h
004130C8 mov eax,0CCCCCCCCh
004130CD rep stos dword ptr es:[edi]
004130CF pop ecx
004130D0 mov dword ptr [ebp-14h],edx
004130D3 mov dword ptr [ebp-8],ecx
__asm
{
mov eax, ecx
004130D6 mov eax,ecx
add eax, edx
004130D8 add eax,edx
add eax, [ebp+8]
004130DA add eax,dword ptr [ai3]
}
}
004130DD pop edi
004130DE pop esi
004130DF pop ebx
004130E0 add esp,0D8h
004130E6 cmp ebp,esp
004130E8 call @ILT+330(__RTC_CheckEsp) (41114Fh)
004130ED mov esp,ebp
004130EF pop ebp
004130F0 ret 4
说实话，ebp+8的计算我原来是搞错了，我当时直接用了esp+8，但是后来才发现在debug没有优化的时候，此处是会采用先保存esp,然后再用ebp的标准用法的。这里没有任何可健壮和移植性可言，仅仅是为了说明thiscall其实也是有规则并且符合约定的，比如上述程序在VS2005最大速度优化时也能正确运行，反汇编代码如下：
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
printf("%d/n",GetArgument(10, 20, 30));
00401010 mov edx,14h
00401015 push 1Eh
00401017 lea ecx,[edx-0Ah] ;注意此处，是编译器相当强程序优化的 成果，用此句替代了mov ecx,0Ah，原因说白了就很简单，因为此句才3个字节，而用mov的需要5个字节。。。。。
0040101A call GetArgument (401000h)
0040101F push eax
00401020 push offset string "%d/n" (4020F4h)
00401025 call dword ptr [__imp__printf (4020A4h)]
system("PAUSE");
0040102B push offset string "PAUSE" (4020F8h)
00401030 call dword ptr [__imp__system (40209Ch)]
00401036 add esp,0Ch
return 0;
00401039 xor eax,eax
}
int __fastcall GetArgument(int ai1, int ai2, int ai3)
{
00401000 55 push ebp
00401001 8B EC mov ebp,esp
__asm
{
mov eax, ecx
00401003 8B C1 mov eax,ecx
add eax, edx
00401005 03 C2 add eax,edx
add eax, [ebp+8]
00401007 03 45 08 add eax,dword ptr [ai3]
}
}
0040100A 5D pop ebp
0040100B C2 04 00 ret 4
最后，在VS2005中还有一个专门为内嵌汇编准备的函数调用方式，naked。。。裸露的调用方式？-_-!呵呵，其实应该表示是无保护的。
例6：
int __declspec(naked) __stdcall GetArgument(int ai)
{
__asm
{
mov eax, [esp+04H]
ret 4
}
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
printf("%d/n",GetArgument(10));
system("PAUSE");
return 0;
}
反汇编代码：
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
printf("%d/n",GetArgument(10));
00401010 push 0Ah
00401012 call GetArgument (401000h)
00401017 push eax
00401018 push offset string "%d/n" (4020F4h)
0040101D call dword ptr [__imp__printf (4020A4h)]
system("PAUSE");
00401023 push offset string "PAUSE" (4020F8h)
00401028 call dword ptr [__imp__system (40209Ch)]
0040102E add esp,0Ch
return 0;
00401031 xor eax,eax
}
int __declspec(naked) __stdcall GetArgument(int ai)
{
__asm
{
mov eax, [esp+04H]
00401000 mov eax,dword ptr [esp+4]
ret 4
00401004 ret 4
}
}
哈哈，在debug下naked函数都是如此简洁，因为我们对其有完完全全的控制，非常完全！以至于。。。在这里你想用mov eax,ai的形式都是不可以的。。。只能完全遵循普通汇编的规则来走。
但是无论此函数再怎么naked，VS也不是完全不管的，见下例7：
int __declspec(naked) __cdecl GetArgument(int ai)
{
__asm
{
mov eax, [esp+04H]
ret
}
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
printf("%d/n",GetArgument(10));
system("PAUSE");
return 0;
}
假如VS完全不管GetArgument函数，因为GetArgument函数内部无法维护栈平衡，那么程序崩溃是必然的，还好VS管理了这个问题：
printf("%d/n",GetArgument(10));
00411ACE push 0Ah
00411AD0 call GetArgument (4111FEh)
00411AD5 add esp,4
这里需要说明的是，当一个函数naked的时候，完全的指挥权都在程序员手中，包括栈的平衡，函数的返回都需要程序员来做，ret是必不可少的，这里想说明的是，一旦你使用了内嵌汇编，你就开始走在了悬崖边上，因为C++强健的编译时期类型检查完全帮助不了你，能够帮助你的仅仅是你的大脑和你对汇编的理解了。呵呵，既然是用汇编写代码，其实都没有反汇编的概念可言，源代码就在哪儿，看仔细了debug比什么都重要，ollydbg,softICE,windbg你爱用什么就用什么吧。
另外，当函数不是naked的时候，从理论上讲你也是可以在汇编中ret的，只不过，你冒的风险也更大了，因为VS好像还不够智能化，它无法预见你的ret,或者从设计上来讲，不是naked的时候你不应该自己处理ret的，所以，即使是你在内嵌汇编中已经有了ret，它还是会原封不动的用于函数返回的代码。。。。
见下例8：
int __cdecl GetArgument(int ai)
{
__asm
{
mov eax, ai
mov esp,ebp
pop ecx
ret
}
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
printf("%d/n",GetArgument(10));
system("PAUSE");
return 0;
}
上例在VS2005中最大速度优化，内联选项为仅仅在有inline声明才内联时可以运行正确，见汇编代码：
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
printf("%d/n",GetArgument(10));
00401020 call GetArgument (401000h)
00401025 push eax
00401026 push offset string "%d/n" (4020F4h)
0040102B call dword ptr [__imp__printf (4020A4h)]
system("PAUSE");
00401031 push offset string "PAUSE" (4020F8h)
00401036 call dword ptr [__imp__system (40209Ch)]
0040103C add esp,0Ch
return 0;
0040103F xor eax,eax
}
int __cdecl GetArgument(int ai)
{
00401000 push ebp
00401001 mov ebp,esp
00401003 push ecx
00401004 mov dword ptr [ai],0Ah
__asm
{
mov eax, ai
0040100B mov eax,dword ptr [ai]
mov esp,ebp
0040100E mov esp,ebp
pop ecx
00401010 pop ecx
ret
00401011 ret
}
}
00401012 mov esp,ebp
00401014 pop ebp
00401015 ret
当你在不应该ret的时候ret，带来的往往是灾难性的后果，所以此处你必须的预见（或者先反汇编看到）原程序会做的所有操作，并且完整的重复它们，不然你在一个非naked的函数中用ret，结果几乎肯定是程序的崩溃。无论如何，除非你有特殊原因，还是按规矩办事比较好。
其实这样的代码对于反汇编来说还挺有意思的：IDA中可以看到
.text:00401000 ; ===========================================================================
.text:00401000
.text:00401000 ; Segment type: Pure code
.text:00401000 ; Segment permissions: Read/Execute
.text:00401000 _text segment para public 'CODE' use32
.text:00401000 assume cs:_text
.text:00401000 ;org 401000h
.text:00401000 assume es:nothing, ss:nothing, ds:_data, fs:nothing, gs:nothing
.text:00401000
.text:00401000 ; =============== S U B R O U T I N E =======================================
.text:00401000
.text:00401000 ; Attributes: bp-based frame
.text:00401000
.text:00401000 GetArgument proc near ; CODE XREF: _mainp
.text:00401000
.text:00401000 var_4 = dword ptr -4
.text:00401000
.text:00401000 55 push ebp
.text:00401001 8B EC mov ebp, esp
.text:00401003 51 push ecx
.text:00401004 C7 45 FC 0A 00 00 00 mov [ebp+var_4], 0Ah
.text:0040100B 8B 45 FC mov eax, [ebp+var_4]
.text:0040100E 8B E5 mov esp, ebp
.text:00401010 59 pop ecx
.text:00401011 C3 retn
.text:00401011 GetArgument endp
.text:00401011
.text:00401012 ; ---------------------------------------------------------------------------
.text:00401012 8B E5 mov esp, ebp
.text:00401014 5D pop ebp
.text:00401015 C3 retn
多余的代码IDA人性的分割掉了，这在没有源代码的人那里过去了就过去了，要是真深究的话，可能还会以为因为花指令的影响导致代码反汇编错了。。。呵呵，不然也不会有3行代码无缘无故的被分割在那里，一看也不像数据段。。。。。
另外push ecx,pop ecx的处理也是编译器极端优化的一个例子，这里本来可以用sub,add修改esp的做法的，但是那样的话一条指令就是5个字节。。。这样的话才1个字节！真是极端的优化啊。。。。。
参考资料：
1. MSDN
2. 《加密与解密》（第3版）附录2
write by九天雁翎(JTianLing) – www.jtianling.com
Posted By 九天雁翎 at 九天雁翎的博客 on 2009年06月14日