iOS汇编教程：ARM(1)和ARM(2)

iOS汇编教程：ARM(1)和ARM(2)

发布于：2013-06-24 09:56阅读数：18007

注：本文由破船译自：raywenderlich。感谢唐巧抽出时间对本文进行double-check。 我们写的Objective-C代码，最终会被转换为机器代码 由ARM处理器能识别的1和0组成。实际上，在机器代码之间，还有一

“ ”

阅读器

iOS汇编教程 ARM

注：本文由破船译自：raywenderlich。感谢唐巧抽出时间对本文进行double-check。 

我们写的Objective-C代码，最终会被转换为机器代码 —— 由ARM处理器能识别的1和0组成。实际上，在机器代码之间，还有一门人类可以阅读的语言 —— 汇编语言。

 

了解汇编，可以深入到你的代码里面进行调试和优化的探索，并有助于你对Objective-C运行时(runtime)的理解，同时也能满足你内心的好奇！

 

在这篇iOS汇编教程中，你能学到：

什么是汇编 —— 以及为什么需要关注它。

如何阅读汇编 —— 特别是由Objective -C生成的汇编。

在调试的时候如何使用assembly view —— 遇到一个bug或者crash，看看到底是怎么回事，这非常有用。

 

为了有效吸收本文内容，建议本文的读者对象为已经熟悉Objective-C编程了。当然，你也应该要知道一些简单的计算机科学相关概念，例如栈、CPU以及它们是如何运行的。如果你对CPU不太熟悉，建议在阅读本文之前，先看看这里的内容：微处理器的工作原理。

 

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iOS汇编教程：ARM(1)

开始：什么是汇编

函数调用约定

创建工程

加法(addFunction)

 

开始：什么是汇编

Objective-C是一门高级语言。编译器会将你的Objective-C代码编译为汇编语言代码：一门低级语言，不过还不是最低级的语言。

 

这些汇编会被汇编器(assembler)组装为机器代码——CPU可以识别的0和1。好在一般开发者并没有必要考虑机器代码，不过有时候详细的了解汇编，会非常有用。

 

每一个汇编指令都会告诉CPU执行一个相关任务，例如“对两个数字执行加(add)操作”，或“从某个内存地址加载数据”。

 

除了主存外 ——如 iPhone 5有1GB的主存、Mac电脑可能会有8GB —— CPU还有少许的存储部件，称之为寄存器，寄存器的访问速度非常快，一个寄存器就像一个变量一样，可以存储单个值。

 

所有的iOS设备(实际上，现如今，几乎所有的移动设备)使用的CPU都是基于 ARM架构。 ARM芯片使用的指令集是 RISC(精简指令集)，该指令集非常的精简，并且易读（比 x86的指令集精简多了）。

 

一个汇编指令(或者语句)看起来如下所示：

1. mov r0, #42 

上面的这行汇编指令，涉及到好多命令(或操作)。mov的作用是对数据进行移动。在ARM汇编指令中，目标是第一个，所以，上面的指令是将值42移动到寄存器r0中。再来看看下面的代码：

1. ldr r2, [r0] 
2. ldr r3, [r1] 
3. add r4, r2, r3 

 

上面汇编指令的作用是首先将寄存器r0和r1中的值装载到寄存器r2和r3中，然后对寄存器r2和r3中的值进行加(add)操作，加的结果存放到r4中。

 

函数调用约定

要想理解汇编代码，首先重要的事情就是理解代码之间的交互——意思是一个函数调用另一个函数的方式。这包括了参数如何传递以及如何从函数返回结果——称之为调用的约定。编译器必须严格的遵守相关标准进行代码编译，这样生成的代码，才能够相互兼容。

 

上面讨论过，寄存器是的存储空间非常少，并且靠近CPU——用来存储当前使用的一些值。ARM CPU有16个寄存器：r0到r15。每个寄存器为32bit。调用约定规定了这些寄存器的特定用途。如下：

 r0 – r3：存储传递给函数的参数值。

 r4 – r11：存储函数的局部变量。

r12：是内部过程调用暂时寄存器（intra-procedure-call scratch register）。

r13：存储栈指针(sp)。在计算机中，栈非常重要。这个寄存器保存着栈顶的指针。这里可以看到更多关于栈的信息： Wikipedia。

r14：链接寄存器(link register)。存储着当被调用函数返回时，将要执行的下一条指令的地址。

r15：用作程序计数器(program counter)。存储着当前执行指令的地址。每条执行被执行后，该计数器会进行自增(+1)。

 

这里可以看到更多相关ARM 调用约定的内容： this document from ARM。苹果公司也给出了一份文档详细介绍了在iOS开发中的调用约定：   calling convention used for iOS development。

下面我们就从代码上开始真正的认识汇编。

 

创建工程

打开Xcode， File\New\New Project，选择 iOS\Application\Single View Application，然后点击 Next，工程的配置如下：

Product name : ARMAssembly

Company Identifier: 一般为反向的DNS标示

Class Prefix: 空白

Devices: iPhone

Use Storyboards: No

Use Automatic Reference Counting: Yes

Include Unit Tests: No

 

点击 Next 选择工程存储的位置——完成工程的创建。

 

加法(addFunction)

下面我们写一个加法函数：对两个数进行相加，然后返回结果。这里我们先用C语法写，后面再介绍用OC来写（OC稍微复杂一点）。在工程的Supporting Files目录中打开main.m文件，然后将下面的函数拷贝并粘贴到文件的顶部。

1. int addFunction(int a, int b) { 
2.     int c = a + b; 
3.     return c; 
4. } 

 现在将Xcode中的scheme设置为为设备构建:选中iOS Device作为scheme target(如果你将设备连接到电脑中，会现实<你的设备名称>，如“Matt Galloway的iPhone 5”)——这样选择之后，生成的汇编就是针对ARM的，而不是针对x86(模拟器使用)。Xcode的选择效果如下图所示：

 

然后选择: Product\Generate Output\Assembly File。过一会之后，Xcode会生成一个文件，这个文件里面有很多行都有下划线__。在文件的顶部,好多行都是以 .section开头。接着选中 Show Assembly Output For中的 Running。

 

 注意:默认情况下,使用的是debug scheme中的设置信息,所以默认选中的就是Running。在debug模式下，编译器对代码没有做优化处理——首先观察没有进过优化处理的汇编，更利于理解代码具体都发生了什么。

 

在生成的文件中搜索_addFunction,会看到类似如下的代码:

1.     .globl  _addFunction 
2.     .align  2 
3.     .code   16                      @ @addFunction 
4.     .thumb_func _addFunction 
5. _addFunction: 
6.     .cfi_startproc 
7. Lfunc_begin0: 
8.     .loc    1 13 0                  @ main.m:13:0 
9. @ BB#0: 
10.     sub sp, #12 
11.     str r0, [sp, #8] 
12.     str r1, [sp, #4] 
13.     .loc    1 14 18 prologue_end    @ main.m:14:18 
14. Ltmp0: 
15.     ldr r0, [sp, #8] 
16.     ldr r1, [sp, #4] 
17.     add r0, r1 
18.     str r0, [sp] 
19.     .loc    1 15 5                  @ main.m:15:5 
20.     ldr r0, [sp] 
21.     add sp, #12 
22.     bx  lr 
23. Ltmp1: 
24. Lfunc_end0: 
25.     .cfi_endproc 

 

上面的代码看起来有点凌乱,实际上也不难以读懂。我们来看看，首先，所有以”.”开头的代码行都不是汇编指令,我们可以忽略所有这些以”.”开头的代码行。

 

代码中以冒号结尾的的代码行(例如 _addFunction:和 Ltim0: )，我们称之为标签（ label）。这些标签的作用是给汇编代码片段指定相关的名字.名为 _addFunction:的标签,实际上是一个函数的入口点.

 

这个标签(_addFunction: )是必须有的:别的代码调用addFunction函数时,并不需要知道该函数具体在什么地方,通过简单的一个符号或标签就可以进行调用.在最终生成程序二进制文件时,链接器会把这个标签转换到实际的地址.

 

我们需要注意的时,编译器总是会在函数名前面添加一个下划线——这仅仅是一个约定。另外，其他所有的标签都是以L开头——这些通常称为局部标签(local label)，只会在函数内部使用。在上面的代码中，虽然没有实际用到局部标签，不过编译器还是为我们生成了一些——之所以会生成这些没有被使用到的局部标签，是由于代码还没有做任何的优化处理。

 

注释是以 @字符开头。通过上面的分析,这样一来，忽略掉注释和标签，代码看起来如下所示：

1. _addFunction: 
2. @ 1: 
3.     sub sp, #12 
4. @ 2: 
5.     str r0, [sp, #8] 
6.     str r1, [sp, #4] 
7. @ 3: 
8.     ldr r0, [sp, #8] 
9.     ldr r1, [sp, #4] 
10. @ 4: 
11.     add r0, r1 
12. @ 5: 
13.     str r0, [sp] 
14.     ldr r0, [sp] 
15. @ 6: 
16.     add sp, #12 
17. @ 7: 
18.     bx  lr 

 

下面我们来看看代码中每部分汇编都做了什么:

 

1、首先，在栈(stack)创建临时存储所需要的空间。栈提供了许多内存供函数使用。ARM中的栈是向下延伸的,也就是说,在栈上创建一些空间,需要从栈指针开始减去(subtract)一些空间。在这里，预留了12个字节。

 

2、r0和r1用来存储传递给调用函数的参数值。如果函数有4个参数，那么会把r2和r3当做第三个和第四个参数。如果函数的参数超过了4个，或者携带的参数不适合使用32位的寄存器（例如很大的数据结构），那么可以通过栈来传递这些参数。

 

在这里,两个参数被保存到栈中。这是由存储寄存器(str)指令完成的。

 

上面的指令可以指定一个偏移量,用来应用在某个值上面。所以[sp, #8]的意思是存储至“栈指针寄存器+8的地方”,因此,str r0, [sp, #8]的作用是：将寄存器r0中的内容存储到栈指针(加8)指向的内存地址.

 

3、将刚刚保存到栈中的值读取至相同的寄存器中(r0和r1)。这里，的ldr指令与str指令刚好相反，ldr(load register)会把指定内存位置中的的内容加载到寄存器中。ldr和str的语法非常相似：ldr r0, [sp, #8]的作用是“将栈指针加8后指向的地址内容加载到r0寄存器中”。

 

这里你可能会感觉到奇怪,为什么ro和r1寄存器中的值刚刚保存,马上又将其加载回来,答案是:这两行代码是冗余的,可以去掉!如果编译器做了优化处理,那么这些冗余的代码会被忽略掉.

 

4、这是该函数中最终的要一个指令:执行加操作。该执行的意思是：将r0和r1中的内容进行相加，然后把结果放到r0中。

 

add指令可以是两个参数,也可以是三个参数.如果指定三个参数,那么第一个参数就被当做目标寄存器,剩下的两个则为源寄存器.因此,这里的指令可以写成这样:add r0, r0, r1。

 

5、同样，编译器生成了一些冗余代码：将加的结果存储到栈中，接着立即从栈中读取回来。

 

6、终止函数的地方：将栈指针指向调用addFunction函数时的最初地方。addFunction开始于：sp减去12的地方：预留了12个字节。现在将12加回去即可。这里必须确保栈指针的正确操作，否则栈指针会指向错误的地方。

 

最后,执行bx指令会回到调用函数的地方.这里的寄存器lr是链接寄存器(link register)，该存储器存储着将要执行的下一条指令。注意,addFunction返回之后,r0寄存器会存储着该函数相加的结果值——这也是调用约定中的一部分：函数的返回值永远都被存储在r0寄存器中。除非一个寄存器不够存储，这是可以使用r1-r3。

 

上面就是所有相关addFunction的介绍,并不复杂吧?预知关于这些指令的更多内容,请看这里:  ARM website.

 

重申一下,上面的方法有好多冗余的地方:这是由于编译器处于debug模式,不会对代码做优化处理.如果对代码进行了优化处理,会看到生成的汇编代码非常的少。

 

选中 Show Assembly Output For中的 Archiving。然后搜索_addFunction:，会看到如下指令（只有这些）：

1. _addFunction: 
2.     add r0, r1 
3.     bx  lr 

 

这看起来非常简洁:只需要两条指令就完成了addFunction函数的功能。当然，在实际开发中，一个函数一般都会有好多指令。

现在,这个addFunction已经返回到调用的函数那里了.下面我们就来看看关于调用的函数的相关信息.

转载至: http://www.cocoachina.com/industry/20130624/6463.html