GCC优化器在nostdlib代码中生成错误

Question

我有以下代码：

void cp(void *a, const void *b, int n)
{
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        ((char *) a)[i] = ((const char *) b)[i];
    }
}

void _start(void) {
    char buf[20];

    const char m[] = "123456789012345";
    cp(buf, m, 15);

    register int rax __asm__ ("rax") = 60; // exit
    register int rdi __asm__ ("rdi") = 0; // status

    __asm__ volatile (
        "syscall" :: "r" (rax), "r" (rdi) : "cc", "rcx", "r11"
    );

    __builtin_unreachable();
}

如果使用进行编译，则会gcc -nostdlib -O1 "./a.c" -o "./a"得到一个可运行的程序，但是如果使用进行编译，则会-O2得到一个生成分段错误的程序。

这是使用以下代码生成的代码-O1：

0000000000001000 <cp>:
    1000:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
    1005:   0f b6 14 06             movzbl (%rsi,%rax,1),%edx
    1009:   88 14 07                mov    %dl,(%rdi,%rax,1)
    100c:   48 83 c0 01             add    $0x1,%rax
    1010:   48 83 f8 0f             cmp    $0xf,%rax
    1014:   75 ef                   jne    1005 <cp+0x5>
    1016:   c3                      retq   

0000000000001017 <_start>:
    1017:   48 83 ec 30             sub    $0x30,%rsp
    101b:   48 b8 31 32 33 34 35    movabs $0x3837363534333231,%rax
    1022:   36 37 38 
    1025:   48 ba 39 30 31 32 33    movabs $0x35343332313039,%rdx
    102c:   34 35 00 
    102f:   48 89 04 24             mov    %rax,(%rsp)
    1033:   48 89 54 24 08          mov    %rdx,0x8(%rsp)
    1038:   48 89 e6                mov    %rsp,%rsi
    103b:   48 8d 7c 24 10          lea    0x10(%rsp),%rdi
    1040:   ba 0f 00 00 00          mov    $0xf,%edx
    1045:   e8 b6 ff ff ff          callq  1000 <cp>
    104a:   b8 3c 00 00 00          mov    $0x3c,%eax
    104f:   bf 00 00 00 00          mov    $0x0,%edi
    1054:   0f 05                   syscall 

这是使用以下代码生成的代码-O2：

0000000000001000 <cp>:
    1000:   31 c0                   xor    %eax,%eax
    1002:   66 0f 1f 44 00 00       nopw   0x0(%rax,%rax,1)
    1008:   0f b6 14 06             movzbl (%rsi,%rax,1),%edx
    100c:   88 14 07                mov    %dl,(%rdi,%rax,1)
    100f:   48 83 c0 01             add    $0x1,%rax
    1013:   48 83 f8 0f             cmp    $0xf,%rax
    1017:   75 ef                   jne    1008 <cp+0x8>
    1019:   c3                      retq   
    101a:   66 0f 1f 44 00 00       nopw   0x0(%rax,%rax,1)

0000000000001020 <_start>:
    1020:   48 8d 44 24 d8          lea    -0x28(%rsp),%rax
    1025:   48 8d 54 24 c9          lea    -0x37(%rsp),%rdx
    102a:   b9 31 00 00 00          mov    $0x31,%ecx
    102f:   66 0f 6f 05 c9 0f 00    movdqa 0xfc9(%rip),%xmm0        # 2000 <_start+0xfe0>
    1036:   00 
    1037:   48 8d 70 0f             lea    0xf(%rax),%rsi
    103b:   0f 29 44 24 c8          movaps %xmm0,-0x38(%rsp)
    1040:   eb 0d                   jmp    104f <_start+0x2f>
    1042:   66 0f 1f 44 00 00       nopw   0x0(%rax,%rax,1)
    1048:   0f b6 0a                movzbl (%rdx),%ecx
    104b:   48 83 c2 01             add    $0x1,%rdx
    104f:   88 08                   mov    %cl,(%rax)
    1051:   48 83 c0 01             add    $0x1,%rax
    1055:   48 39 f0                cmp    %rsi,%rax
    1058:   75 ee                   jne    1048 <_start+0x28>
    105a:   b8 3c 00 00 00          mov    $0x3c,%eax
    105f:   31 ff                   xor    %edi,%edi
    1061:   0f 05                   syscall 

飞机坠毁发生在103b指示处movaps %xmm0,-0x38(%rsp)。

我注意到，如果m包含少于15个字符，则生成的代码将不同，并且不会发生崩溃。

我究竟做错了什么？

Answer 1

_start不是功能。 它不会被任何东西调用，并且在进入时栈是16字节对齐的，而不是（按照ABI的要求）距离16字节对齐8字节。

（ABI在a之前需要16字节对齐call，并call推送8字节返回地址。因此，在函数项RSP-8和RSP + 8上是16字节对齐。）

在-O2GCC中，使用需要对齐的16字节指令来实现的复制cp()，以"123456789012345"将从静态存储复制到堆栈。

在-O1，GCC仅使用两条mov r64, imm64指令将字节存储到8字节存储的整数reg中。这些不需要对齐。

main如果您希望一切正常，只需像普通人一样用C 编写C即可。

或者，如果您要尝试在asm中对某些轻量级的东西进行微基准测试，则可以尝试
asm("push %rax");在最高端_start将RSP修改为8，在此之前，GCC希望先运行它，然后再对堆栈进行其他操作。GNU C Basic的asm语句是隐式的，volatile因此您不需要asm volatile，尽管这不会造成伤害。

您自己是100％的，并负责使用适用于您使用的任何优化级别的内联asm正确地欺骗编译器。

一种更安全的方法是编写自己的轻量级_start调用main：

// at global scope:
asm(
   ".globl _start \n"
   "_start:       \n"
   "    mov   (%rsp), %rdi  \n"     // argc
   "    lea   8(%rsp), %rsi  \n"    // argv
   "    lea   8(%rsi, %rdi, 8), %rdx \n"   // envp
   "    call  main \n"
          // NOT DONE: stdio cleanup or other atexit stuff
          // DO NOT USE WITH GLIBC; use libc's CRT code if you use libc
   "    mov   %eax, %edi \n"
   "    mov   $231, %eax \n"
   "    syscall"               // exit_group( main() )
);

int main(int argc, char**argv, char**envp) {
   ... your code here
   return 0;
}

如果您不想main返回，可以pop %rdi; mov %rsp, %rsi; jmp main给它argc和argv而没有返回地址。

另请参阅：如何在不使用Glibc的情况下使用C中的内联汇编获取参数值？对于其他手卷_start版本；这很像@zwol在那。