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macOS 汇编指南

發布時間：2024/8/1 编程问答 35 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 macOS 汇编指南小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

現在很多匯編的學習資料、途徑和工具都是關于 Windows 下的，所以這里來介紹一下 macOS 上學習使用匯編需要的資料和工具。

本文持續更新中，也是作為個人筆記來使用的。

為什么需要學習匯編（使用途徑）

匯編是計算機的“魔法”，雖然做個只會高級語言的“戰士”也可以，但是當給“武器”附魔之后，戰斗力也會大大增加（當然也有“玩火自焚”的）。

在現代，學習匯編之后的使用途徑有幾種：

直接用匯編指令寫程序的代碼，然后使用匯編器（Assembler）匯編成程序（這種學習的過程中可能使用比較多，在實際情況下很少用，因為太復雜了）。
用在 C 語言代碼中，提高性能和速度，或者實現一些特別的功能。例如 UNIX 和 Linux 中的匯編代碼就是為了提高運行速度，不然完全可以用純 C 語言寫出來；還有蘋果不讓開發者 iOS 平臺獲取 CPU 頻率之后，一些開發者通過在 Objective-C 代碼中使用匯編指令來推測頻率。

注1：不過蘋果后來加了轉換，讓推測的結果很不準，讓這種 app 徹底完犢子了。
注2：Objective-C 是 C 語言的一個超集，就像 C++ 也是 C 語言的一個超集，它們都屬于 C 語言家族。在蘋果推出 Swift 之前，蘋果平臺的開發全靠 Objective-C。

能看懂反編譯出來的內容（這種一般常規程序員用不到）。

不過在現在，匯編并不是編程的門檻，而是通往高手的必修課。但是新手還是建議先學會 C 語言再接觸匯編（這里的學會是指能看明白各種結構即可）。

匯編器以及實用工具介紹

匯編器（Assembler）和編譯器（Complier）是不同的。如果搞不明白的話，可以簡單理解成匯編器是將匯編指令轉換成程序的；編譯器是將高級語言的代碼（例如 C/C++、Java 等的代碼）轉換成程序的。

這里介紹一下匯編器以及可能用得到的實用工具們（包括編輯器）。

as：

Mac OS X 的匯編器，需要在“終端”中使用，類似于 Windows 的 masm。支持 Intel 處理器的匯編以及 Power PC 處理器的匯編。放在/usr/bin/as目錄下。在《Mac OS X Assembler Guide》中有使用方法的介紹。

ld：

連接器。

clang:

clang 有個狀態就是匯編器，而且可以 C 語言等代碼預處理成匯編語言代碼，詳細操作請看這里《clang 如何產生匯編代碼文件》。使用 clang 可能對你更方便，不過需要自己判斷了。

gcc:

gcc 和 clang具體區別這里不贅述，gcc 有個選項：-nostartfiles，使用這個命令可以直接忽略被鏈接的標準庫文件和初始化行為。這是因為有時候會出現不需要連接 C 標準庫，直接匯編即可，那么就需要這樣。最后會有相關演示。

size:

輸出對象文件的各部分大小，如下：

otool：

查看某部分大小和內容，類似 Windows 中的 debug.exe。例如查看__TEXT,__text部分的內容：

我們也可以使用otool來查看其他部分的內容，用以下命令格式：

$ otool -v -s __TEXT __cstring a.out a.out: Contents of (__TEXT,__cstring) section 0000000000000025 hello world!\n

clang 或 gcc：

Mac OS X 上，默認的 C、C++、Objective-C 編譯器。如果在“終端”里使用命令cc，那么會調用 clang，而不是 gcc。

Xcode：

蘋果自己的 IDE，有圖形界面，也有一些終端命令行工具，可以編寫 C、C++、Objective-C 和 Swift 語言的程序。可以利用 Xcode 來編寫含有匯編代碼的程序和 App。

語法區別

很多人可能對匯編有所了解，但可能都是基于 Windows 的。但是在 Mac OS X 或者 C 語言（這里 C 語言編譯器是 clang）內嵌匯編語言的語法中是不一樣的，這里來說一下：

1. 寄存器寫法

事先聲明一下，如果不是用as匯編，而是在 C 語言中或者其他情況下使用 clang 或者 gcc 來處理，那么不用管這條內容。
在 Windows 和 C 的匯編語法中，寄存器的名稱是直接寫的，例如mov ax,2。但是在as中，為了不與標識符（identifier，其實就是常說的變量）搞混，需要在寄存器前加上百分號%，例如mov %ax,2。并且所有的寄存器都得寫成小寫字母，不能像 Windows 或 C 里一樣不分大小寫。

十六進制寫法

在 Windows 中，十六進制被寫成以H或h結尾的，例如5c0dH。但是在 Mac OS X 中，需要寫成0x開頭的，例如0x1234。而在 C 語言中，二者皆可。

來用匯編寫一個 Hello World 吧！

寫代碼

最后會給出完整代碼，現在先分步講解。

首先新建一個名為helloworld.s的文件，匯編代碼文件的后綴一般是.asm或者.s。這時候就可以來寫第一部分的內容啦。
先是需要指明第一部分是——可執行命令：

.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions

然后指明創建的目標平臺：

.build_version macos, 12, 0 sdk_version 12, 1

然后新建一個外部符號名稱_main用作程序的入口，就像 C 語言程序必須要有main()函數一樣。注意這里的下劃線不可以省略。

.globl _main ## -- Begin function main

然后使用對齊（align）命令將位置計數器移到下一個邊界4, 0x90（一般來說都是地址）。

.p2align 4, 0x90

然后我們就可以開始寫_main部分包含的內容啦，也就是開始寫main()函數了：

_main: ## @main.cfi_startproc ##表示函數的開頭。會初始化一些內部的數據結構，發出架構依賴的初始CFI 指令 ## %bb.0:pushq %rbp.cfi_def_cfa_offset 16.cfi_offset %rbp, -16movq %rsp, %rbp.cfi_def_cfa_register %rbpsubq $16, %rspmovl $0, -4(%rbp)leaq L_.str(%rip), %rdimovb $0, %alcallq _printfxorl %eax, %eaxaddq $16, %rsppopq %rbpretq.cfi_endproc ##結束函數

這部分包含一些 cfi 相關的指令，可以在這里看到：https://web.mit.edu/rhel-doc/3/rhel-as-en-3/cfi-directives.html
此外，CFA是規范框架地址（Canonical Frame Address），相關資料可以看這里：
https://www.keil.com/support/man/docs/armasm/armasm_dom1361290010153.htm

接下來開始第二部分——可執行命令包含的字符串：

.section __TEXT,__cstring,cstring_literals L_.str: ## @.str.asciz "hello world!\n"

這里就是準備輸出的字符串：hello world!\n了。
如果這里使用的是.ascii命令，那么這行應該改成.asciz "hello world!\n\0"。
因為.asciz自動補上了字符串末尾的\0，如果被用于 C 程序的話，就使用這個。

最后我們可以加上這么一行：

.subsections_via_symbols

這行命令會告訴靜態連接編輯器，這部分對象文件（object file）能被分割成幾塊。不過這里用不用無所謂，不影響結果。但是出于嚴謹可以加上。

完整代碼如下：

.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions.build_version macos, 12, 0 sdk_version 12, 1.globl _main ## -- Begin function main.p2align 4, 0x90 _main: ## @main.cfi_startproc ## 表示函數的開頭。會初始化一些內部的數據結構，發出架構依賴的初始CFI 指令 ## %bb.0:pushq %rbp.cfi_def_cfa_offset 16.cfi_offset %rbp, -16movq %rsp, %rbp.cfi_def_cfa_register %rbpsubq $16, %rspmovl $0, -4(%rbp)leaq L_.str(%rip), %rdimovb $0, %alcallq _printfxorl %eax, %eaxaddq $16, %rsppopq %rbpretq.cfi_endproc ## 結束函數.section __TEXT,__cstring,cstring_literals L_.str: ## @.str.asciz "hello world!\n".subsections_via_symbols

匯編成可執行文件

在 Windows 中，現在主流的可執行文件的格式是 PE（Portable Executable File Format），而其中的“Executable”縮寫就是很多人熟知的 EXE。在 macOS 中，可執行文件被稱為Mach-O executable file。
如果使用file命令來查看一個可執行文件的話就可以看到，這里我們查看 Xcode：

# 可執行文件 $ file /Applications/Xcode.app/Contents/MacOS/Xcode Xcode: Mach-O universal binary with 2 architectures: [x86_64:Mach-O 64-bit executable x86_64] [arm64:Mach-O 64-bit executable arm64] Xcode (for architecture x86_64): Mach-O 64-bit executable x86_64 Xcode (for architecture arm64): Mach-O 64-bit executable arm64

所以最終目標是要把hello.s這個匯編文件，“變”成一個Mach-O executable file。

這里有兩種方法：

方法 1

由于這個程序十分簡單，也沒有鏈接特殊的庫，可以直接使用以下命令來：

$ gcc -nostartfiles helloworld.s $ chmod 755 a.out $ file a.out a.out: Mach-O 64-bit executable x86_64

這時候可以看到，a.out便是需要的Mach-O executable file。
運行一下看看：

$ ./a.out hello world!

非常不錯。

方法 2

這種方法是常規做法，首先使用as來匯編代碼，并且修改權限：

$ as hello.s $ chmod 755 a.out

這里需要注意一點，as生成的是 Mach-O 對象文件（Mach-O object file），而不是Mach-O executable file，是不能直接運行的，如果直接運行會提示cannot execute binary file。在 Windows 中，對象文件被稱為 COFF（Common Object File Format）。

這時候需要使用連接器ld來處理對象文件。但是，如果簡單的使用ld 會出現以下情況：

$ ld a.out Undefined symbols for architecture x86_64:"_printf", referenced from:_main in a.out ld: symbol(s) not found for architecture x86_64

這是因為使用了 C 標準庫的_printf，但是ld默認搜不到。所以加上庫地址就可以，如下：

$ ld a.out -o hello -lSystem -L/Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX.sdk/usr/lib

特別注意！一般Mach-O executable file是不加任何后綴的。
這時候得到的hello便是需要的Mach-O executable file。使用file命令來檢查一下：

$ file hello hello: Mach-O 64-bit executable x86_64

然后運行一下看看：

$ ./hello hello world!

運行完美～

結尾

本文還會時不時更新一下，修改一些問題，添加一些內容。

總之，希望能幫到有需要的人～

總結

以上是生活随笔為你收集整理的macOS 汇编指南的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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