如何调用C标准库的exit函数详解

2023-08-20 03:41:04 96

编译大于运算符

原定的计划中这一篇应当是要讲如何编译if表达式的，但是我发现没什么东西可以作为if的test-form的部分的表达式，所以觉得，要不还是先实现一下比较两个数字这样子的功能吧。说干就干，我决定用大于运算符来作为例子——大于运算符就是指>啦。所以，我的目标是要编译下面这样的代码

(>12)

并且比较之后的结果要放在EAX寄存器中。鉴于现在这门语言还非常地简陋，没有布尔类型这样子的东西，所以在此仿照C语言的处置方式，以数值0表示逻辑假，其它的值表示逻辑真。所以上面的表达式在编译成汇编代码并最终运行后，应当可以看到EAX寄存器中的值为0。

为了编译大于运算符，并且将结果放入到EAX寄存器中，需要用到新的指令CMP、JG，以及JMP了。我的想法是，先将第一个操作数放入到EAX寄存器，将第二个操作数放入到EBX寄存器。然后，使用CMP指令比较这两个寄存器。如果EAX中的数值大于EBX，那么就使用JG指令跳到一个MOV指令上，这道MOV会将寄存器EAX的值修改为1；否则，JG不被执行，执行后续的一道MOV指令，将数值0写入到EAX寄存器，然后使用JMP跳走，避免又执行到了刚才的第一道MOV指令。思路还是挺简单的。

在修改jjcc2之前，还需要在inside-out/aux中对>予以支持，但没什么特别的，就是往member的参数中加入>这个符号而已。之后，将jjcc2改为如下的形式

(defunjjcc2(exprglobals)
"支持两个数的四则运算的编译器"
(check-typeglobalshash-table)
(cond((eq(firstexpr)'+)
`((movl,(get-operandexpr0)%eax)
(movl,(get-operandexpr1)%ebx)
(addl%ebx%eax)))
((eq(firstexpr)'-)
`((movl,(get-operandexpr0)%eax)
(movl,(get-operandexpr1)%ebx)
(subl%ebx%eax)))
((eq(firstexpr)'*)
;;将两个数字相乘的结果放到第二个操作数所在的寄存器中
;;因为约定了用EAX寄存器作为存放最终结果给continuation用的寄存器，所以第二个操作数应当为EAX
`((movl,(get-operandexpr0)%eax)
(movl,(get-operandexpr1)%ebx)
(imull%ebx%eax)))
((eq(firstexpr)'/)
`((movl,(get-operandexpr0)%eax)
(cltd)
(movl,(get-operandexpr1)%ebx)
(idivl%ebx)))
((eq(firstexpr)'progn)
(let((result'()))
(dolist(expr(restexpr))
(setfresult(appendresult(jjcc2exprglobals))))
result))
((eq(firstexpr)'setq)
;;编译赋值语句的方式比较简单，就是将被赋值的符号视为一个全局变量，然后将eax寄存器中的内容移动到这里面去
;;TODO:这里expr的second的结果必须是一个符号才行
;;FIXME:不知道应该赋值什么比较好，先随便写个0吧
(setf(gethash(secondexpr)globals)0)
(values(append(jjcc2(thirdexpr)globals)
;;为了方便stringify函数的实现，这里直接构造出RIP-relative形式的字符串
`((movl%eax,(get-operandexpr0))))
globals))
((eq(firstexpr)'_exit)
;;因为知道_exit只需要一个参数，所以将它的第一个操作数塞到EDI寄存器里面就可以了
;;TODO:更好的写法，应该是有一个单独的函数来处理这种参数传递的事情（以符合callingconvention的方式）
`((movl,(get-operandexpr0)%edi)
(movl#x2000001%eax)
(syscall)))
((eq(firstexpr)'>)
;;为了可以把比较之后的结果放入到EAX寄存器中，以我目前不完整的汇编语言知识，可以想到的方法如下
(let((label-greater-than(intern(symbol-name(gensym)):keyword))
(label-end(intern(symbol-name(gensym)):keyword)))
;;根据这篇文章（https://en.wikibooks.org/wiki/X86_Assembly/Control_Flow#Comparison_Instructions）中的说法，大于号左边的数字应该放在CMP指令的第二个操作数中，右边的放在第一个操作数中
`((movl,(get-operandexpr0)%eax)
(movl,(get-operandexpr1)%ebx)
(cmpl%ebx%eax)
(jg,label-greater-than)
(movl$0%eax)
(jmp,label-end)
,label-greater-than
(movl$1%eax)
,label-end)))))

然后便可以在REPL中运行下列代码了

(let*((ht(make-hash-table))
(asm(jjcc2(inside-out'(_exit(>12)))ht)))
(stringifyasmht))

输出的汇编代码为

.data
G809:.long0
.section__TEXT,__text,regular,pure_instructions
.globl_main
_main:
MOVL$1,%EAX
MOVL$2,%EBX
CMPL%EBX,%EAX
JGG810
MOVL$0,%EAX
JMPG811
G810:
MOVL$1,%EAX
G811:
MOVL%EAX,G809(%RIP)
MOVLG809(%RIP),%EDI
MOVL$33554433,%EAX
SYSCALL

编译链接运行后，就可以得到预期的结果了。下面开始本文的正文

调用C标准库的exit函数

在上面的介绍中，实现了对大于号（>）的处理，那么对if表达式的编译也就是信手拈来的事了，不解释太多。在本篇中，将会讲述一下如何产生可以调用来自于C语言标准库的exit(3)函数的汇编代码。

在CommonLisp中并没有一个叫做EXIT的内置函数，所以如同之前实现的_exit一样，我会新增一种需要识别的(firstexpr)，即符号exit。为了可以调用C语言标准库中的exit函数，需要遵循调用约定。对于exit这种只有一个参数的函数而言，情形比较简单，只需要跟对_exit一样处理即可。刚开始，我写下的代码是这样的

(defunjjcc2(exprglobals)
;;省略不必要的内容
(cond;;省略不必要的内容
((member(firstexpr)'(_exitexit))
;;暂时以硬编码的方式识别一个函数是否来自于C语言的标准库
`((movl,(get-operandexpr0)%edi)
(call:|_exit|)))))

对(exit1)进行编译，会得到如下的代码

.data
.section__TEXT,__text,regular,pure_instructions
.globl_main
_main:
MOVL$1,%EDI
CALL_exit

不过这样的代码经过编译链接之后，一运行就会遇到段错误（segmentationfault）。经过一番放狗搜索后，才知道原来在macOS上调用C函数的时候，需要先将栈对齐到16字节——我将其理解为将指向栈顶的指针对齐到16字节。于是乎，我将jjcc2修改为如下的形式

(defunjjcc2(exprglobals)
;;省略不必要的内容
(cond;;省略不必要的内容
((member(firstexpr)'(_exitexit))
;;暂时以硬编码的方式识别一个函数是否来自于C语言的标准库
`((movl,(get-operandexpr0)%edi)
;;据这篇回答（https://stackoverflow.com/questions/12678230/how-to-print-argv0-in-nasm）所说，在macOS上调用C语言函数，需要将栈对齐到16位
;;假装要对齐的是栈顶地址。因为栈顶地址是往低地址增长的，所以只需要将地址的低16位抹掉就可以了
(and,(formatnil"$0x~X"#XFFFFFFF0)%esp)
(call:|_exit|)))))

结果发现还是不行。最后，实在没辙了，只好先写一段简单的C代码，然后用gcc-S生成汇编代码，来看看究竟应当如何处理这个栈的对齐要求。一番瞎折腾之后，发现原来是要处理RSP寄存器而不是ESP寄存器——我也不晓得这是为什么，ESP不就是RSP的低32位而已么。

最后，把jjcc2写成下面这样后，终于可以成功编译(exit1)了

(defunjjcc2(exprglobals)
"支持两个数的四则运算的编译器"
(check-typeglobalshash-table)
(cond((eq(firstexpr)'+)
`((movl,(get-operandexpr0)%eax)
(movl,(get-operandexpr1)%ebx)
(addl%ebx%eax)))
((eq(firstexpr)'-)
`((movl,(get-operandexpr0)%eax)
(movl,(get-operandexpr1)%ebx)
(subl%ebx%eax)))
((eq(firstexpr)'*)
;;将两个数字相乘的结果放到第二个操作数所在的寄存器中
;;因为约定了用EAX寄存器作为存放最终结果给continuation用的寄存器，所以第二个操作数应当为EAX
`((movl,(get-operandexpr0)%eax)
(movl,(get-operandexpr1)%ebx)
(imull%ebx%eax)))
((eq(firstexpr)'/)
`((movl,(get-operandexpr0)%eax)
(cltd)
(movl,(get-operandexpr1)%ebx)
(idivl%ebx)))
((eq(firstexpr)'progn)
(let((result'()))
(dolist(expr(restexpr))
(setfresult(appendresult(jjcc2exprglobals))))
result))
((eq(firstexpr)'setq)
;;编译赋值语句的方式比较简单，就是将被赋值的符号视为一个全局变量，然后将eax寄存器中的内容移动到这里面去
;;TODO:这里expr的second的结果必须是一个符号才行
;;FIXME:不知道应该赋值什么比较好，先随便写个0吧
(setf(gethash(secondexpr)globals)0)
(values(append(jjcc2(thirdexpr)globals)
;;为了方便stringify函数的实现，这里直接构造出RIP-relative形式的字符串
`((movl%eax,(get-operandexpr0))))
globals))
;;((eq(firstexpr)'_exit)
;;;;因为知道_exit只需要一个参数，所以将它的第一个操作数塞到EDI寄存器里面就可以了
;;;;TODO:更好的写法，应该是有一个单独的函数来处理这种参数传递的事情（以符合callingconvention的方式）
;;`((movl,(get-operandexpr0)%edi)
;;(movl#x2000001%eax)
;;(syscall)))
((eq(firstexpr)'>)
;;为了可以把比较之后的结果放入到EAX寄存器中，以我目前不完整的汇编语言知识，可以想到的方法如下
(let((label-greater-than(intern(symbol-name(gensym)):keyword))
(label-end(intern(symbol-name(gensym)):keyword)))
;;根据这篇文章（https://en.wikibooks.org/wiki/X86_Assembly/Control_Flow#Comparison_Instructions）中的说法，大于号左边的数字应该放在CMP指令的第二个操作数中，右边的放在第一个操作数中
`((movl,(get-operandexpr0)%eax)
(movl,(get-operandexpr1)%ebx)
(cmpl%ebx%eax)
(jg,label-greater-than)
(movl$0%eax)
(jmp,label-end)
,label-greater-than
(movl$1%eax)
,label-end)))
((eq(firstexpr)'if)
;;假定if语句的测试表达式的结果也是放在%eax寄存器中的，所以只需要拿%eax寄存器中的值跟0做比较即可（类似于C语言）
(let((label-else(intern(symbol-name(gensym)):keyword))
(label-end(intern(symbol-name(gensym)):keyword)))
(append(jjcc2(secondexpr)globals)
`((cmpl$0%eax)
(je,label-else))
(jjcc2(thirdexpr)globals)
`((jmp,label-end)
,label-else)
(jjcc2(fourthexpr)globals)
`(,label-end))))
((member(firstexpr)'(_exitexit))
;;暂时以硬编码的方式识别一个函数是否来自于C语言的标准库
`((movl,(get-operandexpr0)%edi)
;;据这篇回答（https://stackoverflow.com/questions/12678230/how-to-print-argv0-in-nasm）所说，在macOS上调用C语言函数，需要将栈对齐到16位
;;假装要对齐的是栈顶地址。因为栈顶地址是往低地址增长的，所以只需要将地址的低16位抹掉就可以了
(and,(formatnil"$0x~X"#XFFFFFFFFFFFFFFF0)%rsp)
(call:|_exit|)))))

生成的汇编代码如下

.data
.section__TEXT,__text,regular,pure_instructions
.globl_main
_main:
MOVL$1,%EDI
AND$0xFFFFFFFFFFFFFFF0,%RSP
CALL_exit

好了，这个时候我就在想，如果想要支持其它来自C语言标准库的函数的话，只要依葫芦画瓢就好了，好像还挺简单的——天真的我如此天真地想着。

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，谢谢大家对毛票票的支持。

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