一、前言
??众所周知，C语言中“编译”这个词其实已经被泛化了。很多时候，该词直接取代了整个从c文件到到可执行文件的流程，但为了笔者叙述方便，本人有必要在此先做一些说明。
??C语言的整套流程，准确的说是预处理、编译、汇编以及链接四个过程。预处理完成头文件展开与宏替换，得到i文件；编译将i文件转换为汇编指令——s文件；汇编将s文件转换为o文件；链接将多个o文件联合得到最终的可执行文件。详细内容网上其余文章已有详细说明，此处不再赘述。
??此外，由于处理器的发展，现在32、64位机C语言的int和long都是一样长度的，但是为了更好地说明，笔者假设，char、short、int、long分别是8、16、32以及64位的。
??由于处理器众多，指令集也是五花八门。笔者采用的是intel的8086指令集进行说明。
??笔者的文章内容主要是联合原c文件，分析“编译”这一过程所得的s文件的一些内容，更多的把重点放在编译的结果，而不是编译的过程上。由于笔者对C语言与汇编语言了解并不深入，若文章有不当之处，还望斧正。
二、相关工具
??为了更好地进行说明，笔者需要借用一些工具。这些工具如下：
-
gcc
??既然标题都跟gcc联系，那自然是离不开这个经典的编译器的。笔者使用的是版本是8.1.0，但一般来说，其实版本没差。gcc的安装网上到处都有，不再赘述。 -
Compiler Explorer
??其实是一个网站，这个网站能够对应编写的C程序给出相应的汇编代码，比较简介，非常好用。虽然也可以使用-S参数做编译过程，但是编译出来的s文件会臃肿得多，不利于分析。为了避开上述问题，笔者在叙述中将主要使用该网站。网址为https://godbolt.org/。
三、正文
1、案例一
案例说明
??虽然程序开始的经典案例都是hello world，但是在笔者看来，开篇分析字符串可能相对复杂些，故笔者使用了其它的案例，代码如下：
#include<stdio.h>
int add(long a,long b){
long c = a + b;
return c;
}
int main(){
long c = add(42949672961,42949672962);
printf("%ld",c);
return 0;
}
??源码的结构很简单，就是输入两个long的值，然后返回了int类型。主函数中，采用long类型的c接收返回值，然后打印到控制台上。
（注：如果在自己的32/64位机上，请将long改为long long，否则long与int的长度相同，会与案例相悖；如果使用的是笔者提供的网站，则按案例源码写即可。）
案例C代码分析
??首先留意add函数传入的参数值，4294967296X，为啥这么怪呢？这是因为，一个int型是32位的，2的32次方是4294967296（可以用电脑计算器或者python算一算），为了让值进入64位，所以拓展了一个十进制位。
??观察add函数，函数体内创建一个long类型的变量c，其值为函数参数a、b之和。计算一下2的64次方，是18446744073709551616，显然这里不结果不满64位，没有问题。
??那么，有意思的地方来了：add函数的返回值是int类型。显然，根据C语言的知识，这里会出现精度损失。尽管主函数里接收返回值的是long，但是在返回的时候，该值就已经损失精度了。
??为了验证这一点，笔者运行了上述的代码，结果与猜测是一致的：
那么，问题来了。精度损失，到底损失在了哪个位置呢？
案例汇编代码分析
??Compiler Explorer给出了C源码对应的核心汇编代码：
add:
push rbp
mov rbp, rsp
mov QWORD PTR [rbp-24], rdi
mov QWORD PTR [rbp-32], rsi
mov rdx, QWORD PTR [rbp-24]
mov rax, QWORD PTR [rbp-32]
add rax, rdx
mov QWORD PTR [rbp-8], rax
mov rax, QWORD PTR [rbp-8]
pop rbp
ret
.LC0:
.string "%ld"
main:
push rbp
mov rbp, rsp
sub rsp, 16
movabs rax, 42949672962
mov rsi, rax
movabs rax, 42949672961
mov rdi, rax
call add
cdqe
mov QWORD PTR [rbp-8], rax
mov rax, QWORD PTR [rbp-8]
mov rsi, rax
mov edi, OFFSET FLAT:.LC0
mov eax, 0
call printf
mov eax, 0
leave
ret
??.LC0助记符在这次的案例中显然没有什么用，可以不管。
??首先从main助记符开始入手，第一步，创建了main函数栈，记录栈底指针等等工作。每一个函数开始时都会创建这样的栈，详细的内容可以参考《编译系统透视 图解编译原理》这本书。当然，即便您没有了解过这些，也不妨碍继续阅读。
??完成函数栈创建后，两个大整数被MOV到了64位的寄存器rax里面，并分别转交给了rsi以及rdi。之后，便使用CALL指令调用add函数。
??我们浏览add助记符，可以看到，rdi、rsi两个值分别被传入了rbp偏移量为24、32字节的位置。32与24恰好相差8字节，即一个long类型变量。这里首先出现了一个有意思的现象，在main函数处可以看到，add函数的第二个参数首先被MOV，这证实了教科书上写的规则——从右向左读入参数。但是，当进入了add函数后，寄存器又再次从rdi——即参数a——开始压栈，参数的顺序再次恢复了正常。
add:
mov QWORD PTR [rbp-24], rdi
mov QWORD PTR [rbp-32], rsi
main:
movabs rax, 42949672962
mov rsi, rax
movabs rax, 42949672961
mov rdi, rax
??QWORD和DWORD是好兄弟，分别表示四字与双字；PTR就是pointer的缩写，XWORD PTR [???]的工作就是指向了2X个字节所在的地址???，如果像该代码中使用了MOV指令，就意味着将/被移入2X个字节的值，地址就是[]内的内容。
??紧接着，栈内的数据又分别MOV到了rdx与rax两个64位寄存器中，并将rdx的值ADD到rax中。显然，此时rax中装载的值是85899345923——即42949672961与42949672962之和。此后，rax的值被装入到了距离rbp偏移8字节的地址块中，又被重新MOV进rax里面。这一步看似很多余，实际上是由于add函数有一个变量c，这里将值——也就是rax——给了它，这个变量的位置恰好就是rbp-8。详细验证可以将long c = a + b;改成long c = 0; c = a + b;，就能看到MOV QWORD PTR [rbp-8], 0 这样的内容，此处就不演示了。
??接着，add函数就进入ret了。相信大家发现一件事：从头到尾，add内部都没有做任何折损精度的事情，返回值也被装入了64位的寄存器rax里，那么，为什么最后的输出结果是3呢？
??让我们回到main中，CALL add指令之后。这里加入了一条至关重要的指令：CDQE。这条指令的解释是将双字变为四字，是什么意思呢？当前rax存放的是85899345923，二进制数为1010000000000000000000000000000000011，那么，它会将后32位的符号位给扩展到前32位中。这里显然，后32位符号位是0，自然在扩展后，rax就变为了0000000000000000000000000000000000011——与先前C程序的结果一致了。
案例汇编进一步分析与验证
??通过上面的分析，我们很容易得出一个猜想：add函数的返回值是什么，并不重要，计算溢出实质是CDQE指令造成的。接下来，我们就来验证这些内容。
- 尝试改变函数返回值，对照汇编代码
将C代码分别改成以下形式：
int add(long a,long b){
long c = a + b;
return c;
}
char add2(long a,long b){
long c = a + b;
return c;
}
short add3(long a,long b){
long c = a + b;
return c;
}
long add4(long a,long b){
long c = a + b;
return c;
}
上述代码的汇编内容如下：
add:
push rbp
mov rbp, rsp
mov QWORD PTR [rbp-24], rdi
mov QWORD PTR [rbp-32], rsi
mov rdx, QWORD PTR [rbp-24]
mov rax, QWORD PTR [rbp-32]
add rax, rdx
mov QWORD PTR [rbp-8], rax
mov rax, QWORD PTR [rbp-8]
pop rbp
ret
add2:
push rbp
mov rbp, rsp
mov QWORD PTR [rbp-24], rdi
mov QWORD PTR [rbp-32], rsi
mov rdx, QWORD PTR [rbp-24]
mov rax, QWORD PTR [rbp-32]
add rax, rdx
mov QWORD PTR [rbp-8], rax
mov rax, QWORD PTR [rbp-8]
pop rbp
ret
add3:
push rbp
mov rbp, rsp
mov QWORD PTR [rbp-24], rdi
mov QWORD PTR [rbp-32], rsi
mov rdx, QWORD PTR [rbp-24]
mov rax, QWORD PTR [rbp-32]
add rax, rdx
mov QWORD PTR [rbp-8], rax
mov rax, QWORD PTR [rbp-8]
pop rbp
ret
add4:
push rbp
mov rbp, rsp
mov QWORD PTR [rbp-24], rdi
mov QWORD PTR [rbp-32], rsi
mov rdx, QWORD PTR [rbp-24]
mov rax, QWORD PTR [rbp-32]
add rax, rdx
mov QWORD PTR [rbp-8], rax
mov rax, QWORD PTR [rbp-8]
pop rbp
ret
??经过对比，可以发现在add助记符内部，C代码中的返回值实际上没有起到影响，汇编指令均是一致的。
- 尝试删除CDQE指令再汇编、链接为可执行文件
这个测试以上文的C源码为准。由于网站不可以修改汇编代码，故笔者使用了自己的64位机。编写的代码如下：
//test.c
#include<stdio.h>
long add(long long a,long long b){
long long c = a + b;
return c;
}
int main(){
long long c = add(42949672961,42949672962);
printf("%lld",c);
getchar();
return 0;
}
??该代码直接运行的结果如下：
??输入命令进行编译：
gcc -S test.c -o test.s
??s文件的内容如下：
.file "test.c"
.text
.globl add
.def add; .scl 2; .type 32; .endef
.seh_proc add
add:
pushq %rbp
.seh_pushreg %rbp
movq %rsp, %rbp
.seh_setframe %rbp, 0
subq $16, %rsp
.seh_stackalloc 16
.seh_endprologue
movq %rcx, 16(%rbp)
movq %rdx, 24(%rbp)
movq 16(%rbp), %rdx
movq 24(%rbp), %rax
addq %rdx, %rax
movq %rax, -8(%rbp)
movq -8(%rbp), %rax
addq $16, %rsp
popq %rbp
ret
.seh_endproc
.def __main; .scl 2; .type 32; .endef
.section .rdata,"dr"
.LC0:
.ascii "%lld\0"
.text
.globl main
.def main; .scl 2; .type 32; .endef
.seh_proc main
main:
pushq %rbp
.seh_pushreg %rbp
movq %rsp, %rbp
.seh_setframe %rbp, 0
subq $48, %rsp
.seh_stackalloc 48
.seh_endprologue
call __main
movabsq $42949672962, %rdx
movabsq $42949672961, %rcx
call add
cltq
movq %rax, -8(%rbp)
movq -8(%rbp), %rax
movq %rax, %rdx
leaq .LC0(%rip), %rcx
call printf
call getchar
movl $0, %eax
addq $48, %rsp
popq %rbp
ret
.seh_endproc
.ident "GCC: (x86_64-win32-seh-rev0, Built by MinGW-W64 project) 8.1.0"
.def printf; .scl 2; .type 32; .endef
.def getchar; .scl 2; .type 32; .endef
??查看main中call指令之后的cltq指令。该指令与cdqe起着一样的作用。删除改行指令，继续输入命令进行汇编、链接，然后运行：
gcc test.s -o test.exe
./test.exe
??运行的结果为：
??可以看到，不进行字扩展，rax承载的就是正常运算的局部变量C，没有处理溢出等等情况，与真实数学运算结果是相同的。
2、案例一的小扩展
不考虑赋值
??将源码稍稍修改，改成这个样子：
#include<stdio.h>
int add(long a,long b){
long c = a + b;
return c;
}
int main(){
add(42949672961,42949672962);
return 0;
}
??主函数此时舍弃了add返回的内容。根据此前的分析，add函数没有做溢出时的处理，那么，此处主函数中也应当没有CDQE指令——毕竟不需要处理返回值嘛，谁愿意多此一举呢？查看汇编代码：
main:
push rbp
mov rbp, rsp
movabs rax, 42949672962
mov rsi, rax
movabs rax, 42949672961
mov rdi, rax
call add
mov eax, 0
pop rbp
ret
??主函数如我们猜想一致，没有进行自扩展，如果此时访问rax，依然能正常访问到正确的值。
add函数返回不额外显式使用变量c
??再将源码改成这个样子：
#include<stdio.h>
int add(long a,long b){
return a + b;
}
int main(){
long c = add(42949672961,42949672962);
return 0;
}
??这种写法显然更接近平时的习惯。然而，就是这小小的差别，汇编代码却发生了很大的改变：
add:
push rbp
mov rbp, rsp
mov QWORD PTR [rbp-8], rdi
mov QWORD PTR [rbp-16], rsi
mov rax, QWORD PTR [rbp-8]
mov edx, eax
mov rax, QWORD PTR [rbp-16]
add eax, edx
pop rbp
ret
??可以看到，到参数压栈为止，指令都还是一致的。但是，此后却出现了MOV edx,eax 与 ADD edx,eax 这样的操作32位寄存器的指令。也就是说，自return a+b;中的加法起，溢出的情况就已经发生了，这种情况下就不能够仅通过删除字扩展指令的方式计算正确结果，而需要调整其它略繁琐的内容了。
四、小结
??这次的案例，其实是我无意中发现，然后拓展出来的，算是一种无聊透顶的工作吧。但通过这个简单的add函数，发现了许多编译过程中的细节以及有意思的地方。希望这篇文章能够让有意探索gcc编译流程的人有些分析的思路吧。
