제 목:[강좌] 인라인 어셈블리를 분석하자. (1) 관련자료:없음 [564] 보낸이:한동훈 (ddoch ) 1997-02-18 21:57 조회:1650 --------------------------------------------------------------- 강좌 : 인라인 어셈블리를 분석하자. --------------------------------------------------------------- -- 부제 : /usr/src/linux/include/asm-i386/string.h 분석 이야기 꾼 : 한동훈 인터넷 메일: ddoch@hitel.kol.co.kr ddoch@nownuri.nowcom.co.kr 이야기 날짜: 1997년 2월 28일 ---------------------------------------------------------------- 1. 들어가는 말 GNU C( 리눅스의 gcc, 도스의 djgpp 등)의 인라인 어셈블리는 tasm 등의 문법과 조금 차이가 난다. GNU C에서의 인라인 어셈블리, 외부 어블리어는 AT&T에 기반한 문법을 취함으로써 masm, tasm등의 INTEL문 법과는 조금 차이가 나는 것이다. 자세한 문법상의 차이는 여러차례 번역하여 올려드린 AT&T 관련 어셈블리 HOWTO, GUIDE를 보시기 바란 다. 일단 여기서는 리눅스 커널소스안에 위치한 "/usr/src/linux/include/ asm-i386/string.h"를 살펴볼 것이다. 인라인 어셈블리로 만들어 졌으 며 우리가 익숙한 C 함수라 비교적 쉽게 이해가 갈 것이기 때문이다. 아주 감칠맛 나는 예제가 아닐 수 없다. :-) GNU C의 인라인 어셈블리어는 다음과 같이 이루어져 있다. asm("commands" : output : input : registers); asm 대신에 __asm__ 키워드를 사용해도 되며, __volatile__ 키워드 는 일단 신경 쓰지 마시기 바란다. __volatile__은 컴파일러로 하 여금 해당 구문에 대해 함부로 자의적으로 수정,해석 하지 못하도 록 하는 구실을 한다. 여기서의 분석은 자연스럽게 프로그램을 이해하기 위해서 input, registers, commands, output 의 순서를 취할 것이다. 그리고 설명의 편의를 위해서 AT&T 문법과 INTEL 문법을 적절히 혼용하겠다. 설명중 di/edi를 di나 edi로 표기하거나 si/esi를 si, esi로 대표하여 표기 하는 경우가 종종 있다. 자, 이제 조금의 흥분되는 마음을 가라앉히고 여행을 떠나보자. 2. string.h 분석 2.1 strcpy strcpy는 C를 해본 사람에게는 정말 낮익은 것이다. 어떻게 내부적 으로 어셈블리어로 표현될 수 있는 지 살펴보자. extern inline char * strcpy(char * dest,const char *src) { __asm__ __volatile__( "cld\n" "1:\tlodsb\n\t" "stosb\n\t" "testb %%al,%%al\n\t" "jne 1b" : /* no output */ :"S" (src),"D" (dest):"si","di","ax","memory"); return dest; } * 먼저 input 부분을 보면 movl src, %%esi movl dest, %%edi 즉, src 포인터는 esi(source index)로 옮기며, dest포인터는 edi(dest index)로 옮긴다. 항상 원래의 포인터는 esi/si로 옮 겨지며 이동시키거나 작업할 대상 포인터는 edi/di로 옮기는 것을 이후 에서도 자주 볼 수 있다. * registers 부분은 si, di, ax 레지스터와 해당하는 메모리를 사 용하므로 필요하면 컴파일러에게 해당하는 레지스터/메모리의 값들이 손상되지 않도록, push/ pop작업을 하도록 지시하는 것이다. 이렇게 함 으로써 우리는 값들이 변질되는 것을 막기위하여 push/pop을 할 노고를 들 수 있다. * cld 는 방향플래그(df)를 0으로 클리어하여 정방향 진행이 이루어진다. ---------------------------------------------------------------------- 플래그 0으로 클리어 1로 세트 ---------------------------------------------------------------------- 캐리 플래그(cf) clc stc 방향 플래그(df) cld std 인터럽트플래그(if) cli sti ---------------------------------------------------------------------- * lodsb/lodsw/lodsd (Load String Byte/Word/Double) 바이트/워드/더블워드의 자료를 esi가르키는 곳으로 부터 읽어와서 al/ax /eax 레지스터에 전송시킨다. 전송된 후 esi는 다음번 문자열 요소를 가르 키도록 갱신되는 데, df이 0이면 1/2/4만큼 증가되고, df가 1이면 1/2/4 만큼 감소된다. 즉, 여기서의 lodsb는 esi가 가르키는 곳으로부터 1바이트를 읽어와서 al에 저장한다. * stosb/stosw/stosd (Store String Byte/Word/Double) al/ax/eax 레지스터의 값을 edi가 가르키는 곳에 복사한다. 복사후 edi 의 값은 다음번 바이트/워드/더블워드를 가르키도록 갱신된다. 여기서 의 stosb는 이미 읽어온 al의 값을 edi가 가르키는 곳으로 복사를 한다. * test (Logical Compare) op1과 op2에 대해 비트 & 연산을 하여 그 결과에 따라 각 플래그의 값을 변경한다. op의 값이 변하지 않는다는 점을 제외하고는 and 명령과 동 일하다. mov ah, 1010 0111b test ah, 1111 0000b -------------------- 1010 0000b test 의 결과는 1010 0000b(a0h)이다. 최상위 비트가 1이므로 sf(sign flag) 가 1로 세트되고, a0h는 0이 아니므로 zf(zero flag)이 0으로 클리어된다. ah값은 변화가 생기지 않는다. zf가 1로 되려면 계산결과가 0이어야 한다. 위의 예에서 testb %%al, %%al과 같이하면 항상 계산결과값은 자기자신(여기 서는 al)이 된다. 이해가 안되시는 분을 위해서.. 1010 0111 1010 0111 ----------- 1010 0111 따라서 위의 testb문은 al의 최상위비트가 1이면 sf를 1로 세트하고 아니면 0으로 클리어 할 것이고, al의 값이 0이면 zf를 1로 세트할 것이다. 이 구문의 목적은 al이 0인지 알아보는 것이다. * jne 와 일련의 opcodes (Conditional Jump) 현재의 각 플래그의 상태에 따라 실행을 label의 위치로 분기시킨다. ---------------------------------------------------------- 명령 분기 조건 ---------------------------------------------------------- jb / jnae / jc cf = 1 jbe / jna cf = 1 이거나 zf = 1 je / jz zf = 1 jecxz ecx = 0 jl / jnge sf != of jle / jng sf != of 또는 zf = 1 jnb / jae / jnc cf = 0 jnbe / ja cf = 0 이며 zf = 0 jne / jnz zf = 0 jnl / jge sf = of jnle / jg zf = 0 이며 sf = of jno of = 0 jnp / jpo pf = 0 jns sf = 0 jo of = 0 jp / jpe pf = 1 js sf = 1 ---------------------------------------------------------- ( less와 greater는 부호수치(Signed Number)인 경우의 비교, above와 below는 비부호수치(Unsigned Number)인 경우의 비교 ) 위의 예에서 jne는 zf가 0일 경우, 즉 al이 0이 아닐 경우 해당위치로 분기한다. 라벨은 '1:'와 같이 적고, 후진참조일 경우는 'b', 전진참조 일 경우는 'f'를 분기하고자 하는 라벨뒤에 붙인다. 위의 예에서 esi(src)에서 1바이트를 읽어와서 먼저 edi(dest)에 적고 0이 아닐경우 계속 복사작업을 반복하고 0일 경우 루프를 종료한다. 즉, 메모리에 대한 쓰기 작업이 레지스터를 통해서 마지막 널문자 '\0' 까지 복사를 하고 난 뒤에는 종료를 한다는 이야기이다. 어떤가? strcpy의 저급 행동양식이 눈에 들어오지 않는가? 위에서 설명한 opcodes들은 이후에도 줄기차게 나온다. 그럼, strncpy로 넘어가자. 2.2 strncpy extern inline char * strncpy(char * dest,const char *src,size_t count) { __asm__ __volatile__( "cld\n" "1:\tdecl %2\n\t" "js 2f\n\t" "lodsb\n\t" "stosb\n\t" "testb %%al,%%al\n\t" "jne 1b\n\t" "rep\n\t" "stosb\n" "2:" : /* no output */ :"S" (src),"D" (dest),"c" (count):"si","di","ax","cx","memory"); return dest; } * 먼저 input 필드를 보자. movl src, %%esi movl dest, %%edi movl count, %%ecx 먼저와 달라진 점은 count 를 ecx에 옮긴 것 뿐이다. * registers 필드의 si, di, ax, cx, memory는 직접적으로 사용을 한다는 것을 컴파일러에게 알려주어 그 값을 보호하도록 한다. * 이제 commands 필드를 하나씩 보자. * 역시 cld로 방향플래그(df)를 0으로 클리어하였다. * output, input의 피연산자들은 순서대로 %0, %1..로 commands필드 에서 참조할 수 있다. 위에서는, output은 없으므로 input 필드의 각각을 %0(esi), %1(%edi), %2(ecx)로 commands 필드에서 참조할 수 있게 된다. * dec / inc op의 값을 1만큼 감소/증가 시킨다. 감소 후의 결과에 따라 각 플래그 의 값이 세팅된다. op는 비부호수치로 간주된다. cf는 dec의 영향을 받지 않는다. cf도 갱신하려면 subl $1, op 를 사용하면 된다. 위의 예, decl %2 는 ecx의 값을 1 감소시킨다. * js 는 sf = 1 일 경우, 즉 ecx가 음수일 경우 해당 라벨로 건너뛴다. * lodsb 로 esi가 가르키는 곳에서 1바이트를 가져와서 al로 옮긴다. * stosb 는 al의 값을 edi가 가르키는 곳으로 1바이트를 옮긴다. * testb %%al, %%al 로 al의 값이 0인지 검사한다. * jne 는 위의 계산결과 값이 0이 아니면 라벨 1: 로 가서 루프를 반 복한다. * rep (Repeat) 문자열 처리 명령을 cx (cl/cx/ecx) 레지스터의 값만큼 반복 수행시킨다. 명령 종료후 cx는 0이 된다. cld movl $3, %%ecx rep movsb si가 가르키는 곳의 3바이트를 di가 가르키는 곳에 복사한다. 복사후 si 와 di를 3만큼 증가하고 cx는 0이 된다. ctd movl $3, %%ecx rep movsw si가 가르키는 곳의 3워드를 di가 가르키는 곳에 복사한다. 복사후 si와 di는 3*2 만큼 감소하고 cx는 0이된다. 위의 예에서의 rep, stosb는 al의 값을 di로 cx값만큼 반복하여 옮긴다. 이 구문은 strncpy에서 src에서 dest로 반복회수 만큼 복사를 채 끝내기 도 전에 0을 만났을 때에 필요한 것이다. 즉 이때에는 남은 횟수만큼 al 의 0을 di(dest)에 쓰게 된다. * 요약을 하자면 각각의 아규먼트를 input 필드에서 esi, edi, ecx에 저장한 후 ecx가 0이하이면 아무 작업도 하지 않고 js 2f로 인해 끝이 나고, 0이 상이면 esi(src)가 가르키는 곳으로 부터 하나씩 al에 가져와서 0이 아닐 동안 루프를 반복하여 복사한다. 만일 반복횟수 동안 src(esi)가 가르키는 곳에서 널문자 '\0'이 나오지 않는 다면 dest(edi)에 널문자를 추가하지 않는 것을 알 수 있다. 반복회수가 다 되지도 않았는 데 널문자가 나온다 면 al은 0이 될 것이고 jne 1b를 통과하여 rep, stosb가 실행이 되어서 al의 값 0이 나머지 남은 반복횟수 만큼 dest(edi)에 쓰여지는 것을 알 수 있다. 몇가지 예를 들어 루프를 돌려보면 정확하게 동작함을 알 수 있다. 2. 3 strcat extern inline char * strcat(char * dest,const char * src) { __asm__ __volatile__( "cld\n\t" "repne\n\t" "scasb\n\t" "decl %1\n" "1:\tlodsb\n\t" "stosb\n\t" "testb %%al,%%al\n\t" "jne 1b" : /* no output */ :"S" (src),"D" (dest),"a" (0),"c" (0xffffffff):"si","di","ax","cx"); return dest; } * input 필드는 다음과 같다. movl src, %%esi /* 원본 문자열이 있는 곳 */ movl dest, %%edi /* 복사할 대상 */ movb $0, %%al /* 찾을 문자 */ movl $0xffffffff, %%ecx /* 반복 횟수 */ ecx에 왜 필요없을 것 같은 수치를 저장하는 걸까? 바로 위에서 dest(edi) 에서 0을 찾는 데 필요한 횟수를 대략적으로 잡아주는 것으로 쓰인다. * 역시나 registers 필드에는 이 프로그램에서 사용되는 레지스터가 기술되 어 있다. * repne / repnz / repe / repz -- repne / repnz (Repeat while Nat Equal/Zero) 문자열 처리 명령을 cx 레지스터의 값만큼 또는 zf이 1이 될 때까지 (즉, 문자나 값이 서로 다를 경우-zf가 0인 경우-에는 cx 값안에서 반복한다) 반복 실행시킨다. repnz과 repne명령은 서로 동일한 명령이다. 명령 종료 후 cx의 값은 반복 실행된 횟수만큼 감소한다. movw $100, %%cx cld repne cmpsb si가 가르키는 1바이트와 di가 가르키는 1바이트를 비교하여 같지 않다면 si와 di를 1씩 증가시킨 후 비교를 반복한다. 같은 바이트를 만나면 si와 di를 1증가시킨 후 비교를 종료한다. movw $100, %%cx cld repne scasw di가 가르키는 1워드와 ax의 값을 비교하여 같지 않는한 si와 di를 2씩 증가시킨 후 비교를 반복한다. ax의 값과 같은 워드를 만나면 si와 di 를 2증가 시킨 후 비교를 종료한다. -- repe / repz (Repeat while Equal/Zero) 문자열 처리 명령을 cx 레지스터의 값만큼 또는 zf의 값이 0일 때까지 반복 수행시킨다. repe와 repz는 서로 동일한 명령이다. 명령 종료후 cx의 값은 반복 수행된 횟수만큼 감소한다. 즉, 위와 반대되는 명령이 다. cld movw $100, %%cx movb $0x20, %%al repe scasb si가 가르키는 1바이트가 20h(공백문자)일 경우 di를 계속 1씩 증가시 켜 나간다. 20h가 아닌 바이트를 만나면 di를 1증가 시킨 후 명령 실행 을 종료한다. repe 명령 실행전 di가 가르키는 곳에 5개의 공란이 이어 져 있다면 명령 실행 후 di는 6증가하고 cx는 6감소한다. scasb 대신 scasw를 사용했다면 1워드씩 ax의 값과 비교한다. * 위의 구문에서 repne, scasb는 al의 0과 일치되는 문자를 edi(dest)가 가르키는 문자에서 찾아서 찾은 0문자 다음을 edi가 가르키게 된다. * decl %%edi 를 사용하여 한칸 앞의 0을 가르키도록 한다. 여기서부터 strcpy와 비슷하다. * lodsb와 stosb를 사용하여 esi(src)에서 edi(dest : edi는 이제 널문자 가 처음으로 나타난 위치를 가르킨다.)로 한문자씩을 al을 경유하여 복 사를 시작한다. 만일 esi(src)를 읽어 들이는 동안 널문자(0)이 나타난 경우(al이 0인경우) zf가 1이 되므로 루프를 종료한다. 이제, strncat을 살펴보자. 2.4 strncat extern inline char * strncat(char * dest,const char * src,size_t count) { __asm__ __volatile__( "cld\n\t" "repne\n\t" "scasb\n\t" "decl %1\n\t" "movl %4,%3\n" "1:\tdecl %3\n\t" "js 2f\n\t" "lodsb\n\t" "stosb\n\t" "testb %%al,%%al\n\t" "jne 1b\n" "2:\txorl %2,%2\n\t" "stosb" : /* no output */ :"S" (src),"D" (dest),"a" (0),"c" (0xffffffff),"g" (count) :"si","di","ax","cx","memory"); return dest; } * input 필드는 count를 "g"로 저장하는 것만 빼고는 동일하다. 여기서 "g"는 컴파일러에게 count의 값을 어디로 저장할 지를 일임 하는 것이다. GNU C 컴파일러는 똑똑하기 때문에 최적화를 할 것이 다. 참고로 "r"은 컴파일러에게 어느 레지스터를 사용할 것인지를 일임하게 된다. commands 구문속에서 count는 %4로 참고된다. * registers 필드는 이전과 비슷하며 output 필드도 필요치 않다. * cld 는 역시 df를 0으로 클리어한다. * repne, scasb 는 edi(dest)가 가르키는 문자가 al(0)의 문자와 같지 않 는 동안 반복하고 dest 중에서 0을 만난다면 0 다음 위치를 edi가 가르 게 되고 검색을 종료한다. * decl %%edi는 edi가 바로 이전의 0을 가르키게 한다. * movl %4, %3 은 반복할 횟수 count의 값을 ecx에 저장한다. * decl %3 은 decl %%ecx와 같으며 횟수를 하나 감소시킨다. * js 2f 는 ecx의 값이 음수라면 라벨 2로 간다는 것을 의미한다. * lodsb, stosb, testb %%al, %%al, jne 1b는 각각 esi(src)로 부터 한바 이트 씩의 값을 읽어와서 al을 경유하여 edi(dest)로 복사를 하는 데, al의 값이 0이 아니면 루프를 돌고 0이면 다음줄로 실행을 옮긴다. * xorl %2, %2 는 xorl %%eax, %%eax 와 같다. xor는 두 비트가 서로 다르 면 1이 되고 같으면 0이 되는 배타적 논리합 연산자이다. xor는 비트단위 로 수행되며 xor의 결과는 뒤의 피연산자에게 되돌려지며 그 값에 따라 각 플래그의 값이 변경된다. 자신의 값으로 xor를 하면 당연히 0가 된다. xorl %%eax, %%eax는 0을 뒤의 %%eax에 저장을 시키고 그 값에 따라 플래 그를 변경한다. stosb는 al의 값인 0을 edi(dest)가 가르키는 곳에 저장 한다. 이로써 하나의 문자열을 완성하는 것이다. * 요약하면, 먼저 cld, repne, scasb, decl %%edi 로 edi(dest)가 가르키는 곳에서 0을 찾아서 edi가 그 위치를 가르키게 한다. movl %4, %3 과 decl %3, js 2f 는 count를 %%ecx에 저장하고 %%ecx를 하나 감소시키면서 만일 카운트가 음 수일 경우 루프를 종료하여 edi(dest)가 가르키는 곳에 널문자를 하나 적고 끝낸다. lodsb, stosb, testb %%al, %%al, jne 1b는 esi(src)부터 edi(dest)로 al을 경유하여 0이 나올 때까지 복사를 하고 마지막에 stosb로 al의 0을 한번 더 edi(dest)가 가르키는 곳에 적어준다. ( 다음 시간에 strcmp 부터 계속된다. ) ddoch 한동훈