GCC 优化器在 nostdlib 代码中生成错误

Question

我有以下代码：

void cp(void *a, const void *b, int n) {
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        ((char *) a)[i] = ((const char *) b)[i];
    }
}

void _start(void) {
    char buf[20];

    const char m[] = "123456789012345";
    cp(buf, m, 15);

    register int rax __asm__ ("rax") = 60; // exit
    register int rdi __asm__ ("rdi") = 0; // status

    __asm__ volatile (
        "syscall" :: "r" (rax), "r" (rdi) : "cc", "rcx", "r11"
    );

    __builtin_unreachable();
}

如果我用gcc -nostdlib -O1 "./ac" -o "./a"编译它，我得到一个正常运行的程序，但如果我用-O2编译它，我得到一个产生分段错误的程序。

这是使用-O1生成的代码：

0000000000001000 <cp>:
    1000:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
    1005:   0f b6 14 06             movzbl (%rsi,%rax,1),%edx
    1009:   88 14 07                mov    %dl,(%rdi,%rax,1)
    100c:   48 83 c0 01             add    $0x1,%rax
    1010:   48 83 f8 0f             cmp    $0xf,%rax
    1014:   75 ef                   jne    1005 <cp+0x5>
    1016:   c3                      retq   

0000000000001017 <_start>:
    1017:   48 83 ec 30             sub    $0x30,%rsp
    101b:   48 b8 31 32 33 34 35    movabs $0x3837363534333231,%rax
    1022:   36 37 38 
    1025:   48 ba 39 30 31 32 33    movabs $0x35343332313039,%rdx
    102c:   34 35 00 
    102f:   48 89 04 24             mov    %rax,(%rsp)
    1033:   48 89 54 24 08          mov    %rdx,0x8(%rsp)
    1038:   48 89 e6                mov    %rsp,%rsi
    103b:   48 8d 7c 24 10          lea    0x10(%rsp),%rdi
    1040:   ba 0f 00 00 00          mov    $0xf,%edx
    1045:   e8 b6 ff ff ff          callq  1000 <cp>
    104a:   b8 3c 00 00 00          mov    $0x3c,%eax
    104f:   bf 00 00 00 00          mov    $0x0,%edi
    1054:   0f 05                   syscall 

这是使用-O2生成的代码：

0000000000001000 <cp>:
    1000:   31 c0                   xor    %eax,%eax
    1002:   66 0f 1f 44 00 00       nopw   0x0(%rax,%rax,1)
    1008:   0f b6 14 06             movzbl (%rsi,%rax,1),%edx
    100c:   88 14 07                mov    %dl,(%rdi,%rax,1)
    100f:   48 83 c0 01             add    $0x1,%rax
    1013:   48 83 f8 0f             cmp    $0xf,%rax
    1017:   75 ef                   jne    1008 <cp+0x8>
    1019:   c3                      retq   
    101a:   66 0f 1f 44 00 00       nopw   0x0(%rax,%rax,1)

0000000000001020 <_start>:
    1020:   48 8d 44 24 d8          lea    -0x28(%rsp),%rax
    1025:   48 8d 54 24 c9          lea    -0x37(%rsp),%rdx
    102a:   b9 31 00 00 00          mov    $0x31,%ecx
    102f:   66 0f 6f 05 c9 0f 00    movdqa 0xfc9(%rip),%xmm0        # 2000 <_start+0xfe0>
    1036:   00 
    1037:   48 8d 70 0f             lea    0xf(%rax),%rsi
    103b:   0f 29 44 24 c8          movaps %xmm0,-0x38(%rsp)
    1040:   eb 0d                   jmp    104f <_start+0x2f>
    1042:   66 0f 1f 44 00 00       nopw   0x0(%rax,%rax,1)
    1048:   0f b6 0a                movzbl (%rdx),%ecx
    104b:   48 83 c2 01             add    $0x1,%rdx
    104f:   88 08                   mov    %cl,(%rax)
    1051:   48 83 c0 01             add    $0x1,%rax
    1055:   48 39 f0                cmp    %rsi,%rax
    1058:   75 ee                   jne    1048 <_start+0x28>
    105a:   b8 3c 00 00 00          mov    $0x3c,%eax
    105f:   31 ff                   xor    %edi,%edi
    1061:   0f 05                   syscall 

崩溃发生在103b ，指令movaps %xmm0,-0x38(%rsp) 。

我注意到如果m包含少于 15 个字符，那么生成的代码会有所不同，并且不会发生崩溃。

我究竟做错了什么？

Answer 1

_start不是 function。 它没有被任何东西调用，并且在入口处堆栈是 16 字节对齐的，而不是（按照 ABI 的要求）距离 16 字节 alignment 8 个字节。

（ABI在call之前需要16字节的alignment，并且call推送一个8字节的返回地址。所以在function条目上，RSP-8和RSP+8是16字节对齐的。）

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在-O2 GCC 使用需要对齐的 16 字节指令来实现由cp()完成的复制，将"123456789012345"从 static 存储复制到堆栈。

在 -O1 ， -O1只使用两个mov r64, imm64指令将字节获取到 integer regs 用于 8 字节存储。 这些不需要 alignment。

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解决方法

如果您希望一切正常，只需像普通人一样在 C 中编写一个main 。

或者，如果你想在 asm 中对轻量级的东西进行微基准测试，你可以使用gcc -nostdlib -O3 -mincoming-stack-boundary=3 ( docs ) 告诉 GCC 函数不能假设它们被调用超过8 字节 alignment。 与-mpreferred-stack-boundary=3不同，在进行进一步调用之前，它仍将对齐 16。 因此，如果您有其他非叶函数，您可能只想在您的 hacky C _start()上使用一个属性，而不是影响整个文件。

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更糟糕，更hacky的方法是尝试放置
asm("push %rax"); 在_start的最顶部将 RSP 修改为 8，其中 GCC 希望在对堆栈执行任何其他操作之前运行它。 GNU C 基本的 asm 语句是隐式的volatile ，所以你不需要asm volatile ，尽管这不会有坏处。

您是 100% 靠自己的，并且负责通过使用适用于您正在使用的任何优化级别的内联汇编来正确欺骗编译器。

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另一种更安全的方法是编写自己的轻量级_start调用 main：

// at global scope:
asm(
   ".globl _start \n"
   "_start:       \n"
   "    mov   (%rsp), %rdi  \n"     // argc
   "    lea   8(%rsp), %rsi  \n"    // argv
   "    lea   8(%rsi, %rdi, 8), %rdx \n"   // envp
   "    call  main \n"
          // NOT DONE: stdio cleanup or other atexit stuff
          // DO NOT USE WITH GLIBC; use libc's CRT code if you use libc
   "    mov   %eax, %edi \n"
   "    mov   $231, %eax \n"
   "    syscall"               // exit_group( main() )
);

int main(int argc, char**argv, char**envp) {
   ... your code here
   return 0;
}

如果你不想main返回，你可以pop %rdi ； mov %rsp, %rsi ; jmp main给它 argc 和 argv 没有返回地址。

然后main可以通过内联 asm 退出，或者如果链接 libc，则通过调用exit()或_exit()退出。 （但如果你链接 libc，你通常应该使用它的_start 。）

另请参阅： 如何在没有 Glibc 的情况下使用 C 中的内联汇编获取 arguments 值？ 对于其他手卷_start版本； 这很像@zwol's there。