快速入门Linux下GDB和汇编开发工具

2016-11-15  本文已影响686人  QihuaZhou

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引言

本文亦是《读笔 汇编语言-基于Linux环境(第7章-跟踪指令：与机器指令亲密接触I)》。

本文将会以一个简单的.ASM程序，step by step地帮助大家快速入门GDB，并通过GDB调试，深入底层阐述高级语言(如C语言)中循环结构和指针的由来。

通过阅读本文，你将知道：

构建汇编程序

原料

第一个汇编程序

切到你喜欢的工作目录下，执行> kate以启动Kate编辑器，启动后界面类似于这样：

Kate
左侧是导航栏，右侧是代码编辑区，下方是终端控制区(若要启用此特性请务必先安装konsle)。

新建一个文件，命名为sandbox.asm，在其中输入如下内容：

section .data
    Snippet db "KANGAROO"
section .text
    global  _start
_start:
    nop
; Put your experiments between the two nops...
    mov ebx, Snippet
    mov eax, 8
DoMore: add byte [ebx], 32
    inc ebx
    dec eax
    jnz DoMore
; Put your experiments between the two nops...
    nop

这段代码是我们第一个汇编小例子，用于阐明循环结构的原理，请确保文章例子和你的完全一致。

循环结构的原理

如果是首次接触汇编，你可能会一头雾水，在这里你不必在意汇编的语法，只需要理解我对代码的说明即可。

此处请先注意语句Snippet db "KANGAROO"，其中Snippet代表一个字符串，内容为KANGAROO。然后注意语句mov ebx, Snippet，这一步相当于获取字符串的首地址。紧接着的mov eax, 8用于获知字符串的长度。这两步很平常，高级语言的字符串处理也需要获知字符串地址以及相应的长度。

然后请关注如下四条语句：

DoMore: add byte [ebx], 32
        inc ebx
        dec eax
        jnz DoMore

此处的jnz DoMore语句便是循环结构的核心。其含义是：jnz(Jump if Not Z-Flag)进行判断，如果零标志位ZF不为0，就跳转到DoMore语句处。

于是你可以想到，只要这个ZF标志位不是0，程序就会不停地循环跳转(loop)，循环结构由此而来。

你可能会想问：什么时候ZF会变成0？这个问题很好，试想一下高级语言的while(n)循环，我们必然需要一个操作步骤来改变n的值，使其在某一时刻变成0，从而跳出while。

此处，眼尖的读者可能发现了dec指令，还记得一开始的获取字符串长度为8吗？我们把8存在了eax寄存器中(如果你不清楚寄存器是什么，也没有关系，把它想象成一个可以存放数值容器即可)。通过dec eax指令，我们会不断地对eax中的8进行递减，类似于int eax = 8; eax--;总有一天，eax中的值会从8减到0，此时我们的x86 Intel CPU就会执行一项既定的操作，把ZF标志设为1,以代表此标志位处于激活状态。于是，jnz在判断的时候就发现ZF已经被激活为1了，不需要再跳转，循环结果宣告结束。

此外，不知道你有没有对于jnz跳转指令产生一些联想：它是不是很像函数指针？(jnz到一个地方，那个地方叫做DoMore，然后执行一段过程。)当然关于函数指针详细的说明，本文篇幅可就不够了，笔者会考虑以后单独写一篇文章详细说明，敬请期待～

什么是指针

有读者可能会问，还有两行代码没有解释呢。不要着急，这两行代码蕴含着指针的奥秘。听起来可能有点令人惊奇，但实际情况确实如此。让我们来看一下这两行代码：

DoMore: add byte [ebx], 32
        inc ebx

注意add byte [ebx], 32这句话，它的专业术语叫做寄存器间接寻址。它是如此神奇，毫不夸张地说，如果没有它，我们日常所见的绝大部分程序将难以构建。

这句话解释一下就是这样：有一个内存单元，它有一个byte大小的空间，里面存有一个数值n(具体是多少，现在不用关心)。把数值32 Add到这个n上，就是相当于n+=32。然后关键点来了，为了加上32，我们需要知道这个内存区域在哪儿。在哪儿呢？在ebx里存着呢！

内存就像一个个信箱，每个信箱都有自己的编号，当我们寻找自家的信箱时，会根据信箱的编号去寻找它。这里ebx就存着我们要的内存区域的编号，这个编号叫做地址，根据这个地址，我们找到了那个内存单元的具体位置，然后知道了其中存了一个数n，最后把32给加到了n上。

这里，你应该可以看到，我们并不是直接去访问那个数值n的，而是先去找存放它的内存单元。这里面存在一层间接。正是有了这层间接，我们才能在高级语言中构筑起各种华丽的调用操作。

于是指针的原理也显而易见了，对于

char arr[4] = "abcd";
char *p = arr;
p+=3;
printf("*p: %c\\n", *p);

我们char *p = arr;操作定位的arr数组的首地址。arr信箱有四个格子，我们定位到第一个，然后p+=3;并不是直接给信箱什么的加3，这明显不符合逻辑，而是操作信箱的编号(地址)。加3意味着往后数三个，定位到第四个格子，最后打印里面的东西，就是字符d。

内存中的数据有两种，分别是数据和地址，数据就是普通的变量，地址就是指针。希望你不要混淆。

使用GDB

下面进入最后一个知识点，快速入门GDB。在此之前，我们需要把编写的.ASM程序编译链接运行起来。你可能听说过Linux下的make工具，说白了就是个配置文件，告诉NASM，gcc等编译器怎么有效地编译我们的源码，避免重复劳动。make配合makefile文件工作，如果你不知道这到底是什么，也完全没有关系，毕竟这不是本文的重点，只是顺带提一下。

你可以在Kate编辑器中再新建一个文本，名为makefile，请确保它和我们的sandbox.asm在同一个目录下。向其中输入如下内容:

sandbox: sandbox.o
    ld -o sandbox sandbox.o
sandbox.o: sandbox.asm
    nasm -f elf64 -g -F stabs sandbox.asm -l sandbox.lst

你可以完全不必理会这四句话到底代表了什么，只需要明白它们会让NASM正确地生成我们的.ASM程序。

有了这个makefile，接下来可以在Kate编辑器下方的terminal中输入> make -k，或者你自己启动shell，切到你的工作目录，执行上述命令。如果正确编译完成，那么看起来就像这样子：

GDB_terminal

接下来，我们要使用GDB了，在Terminal中键入：> gdb sandbox以启用gdb调试。

调试，我们一般都会需要设置断点，来看看各变量的情况。这里我们已经更加深入到底层，不在内存中操作了，直接来到了CPU内部的寄存器中。键入：> b 10即在DoMore: add byte [ebx], 32语句处加入断点。

然后，键入：> r然程序开始运行。程序会停在DoMore语句那里，看起来就像这样：

step1

接着，键入:i r查看个寄存器状态，就像这样：

step2

你可以看到高亮的绿色部分，rax中存有字符串长度8，rbx中存有字符串地址。

啥？为什么不是eax和ebx？嗯，很有价值的问题，eax和ebx是32位CPU架构下的寄存器，而如今64位已经普及，我们的寄存器也随之升级了。

然后按一下Enter键，或者输入return，可以看到下一页未显示完全的一些寄存器：

step3

注意到绿色高亮部分的eflags标志位，我们发现其中除了IF什么都没有，这表明我们上文提到的ZF标志还没有被激活。

接下来，键入：s，它代表单步执行一行语句，请先执行一次，然后再键入：i r看一下结果寄存器状态:

step4

可以看到rax寄存器内部的值从8减到7，表明执行了一次循环中的dec指令。接下来你可以继续单步执行7次，即键入7次s。每一次都查看一下寄存器的状态，你会发现rax不断递减，直到0。7次单步之后，再次键入i r进行查看：

step5

你会发现rax变成0了，此时Enter到下一页，我们发现：

step6

没错！eflags中出现了ZF标志，表明其被激活，这样jnz就不会再跳到DoMore，循环终于结束了。

最后请键入q，然后y退出GDB。我们的GDB快速入门到此告一段落。

留一个小问题

看到这儿，相信你已经大概理解了循环结构和指针的原理，对汇编工具以及GDB的使用也略知一二。那么我在这里提一个小问题：这段汇编代码到底是做什么的？请你积极思考哦～

答案我会在留言中说明。

总结

本篇文章通过Linux下的一个最简易的汇编开发流程，带领大家熟悉了开发工具的使用，并入门了GDB这一神器。同时通过阅读汇编代码，从底层理解了循环结构和指针的原理。希望对大家有所启迪，感谢阅读！

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