汇编实现的memcpy和memset

天天山珍海味的吃，也会烦。偶尔来点花生，毛豆小酌一点，也别有一番风味。

天天java, golang, c++, 咱们今天来点汇编调剂一下，如何？

通过这篇文章，您可以了解过：

• CPU寄存器的一些知识;
• 函数调用的过程;
• 汇编的一些知识;
• glibc 中 memcpy和memset的使用;
• 汇编中memcpy和memset是如何实现的;

闲话不多说，今天来看看汇编中如何实现memcpy和memset(脑子里快回忆下你最后一次接触汇编是什么时候......)

函数是如何被调用的

栈的简单介绍

• 栈对函数调用来说特别重要，它其实就是进程虚拟地址空间中的一部分，当然每个线程可以设置单独的调用栈(可以用户指定，也可以系统自动分配); 栈由栈基址(%ebp)和栈顶指针(%esp)组成，这两个元素组成一个栈帧,栈一般由高地址向低地址增长，将数据压栈时%esp减小，反之增大;
• 调用一个新函数时，会产生一个新的栈帧，即将老的%ebp压栈，然后将%ebp设置成跟当前的%esp一样的值即可。函数返回后，之前压栈的数据依然出栈，这样最终之前进栈的%ebp也会出栈，即调用函数之前的栈帧被恢复了，也正是这种机制支撑了函数的多层嵌套调用；

不管是写Windows程序还是Linux程序，也不管是用什么语言来写程序，我们经常会把某个独立的功能抽出来封装成一个函数，然后在需要的地方调用即可。看似简单的用法，那它背后是如何实现的呢？一般分为四步：

• 传递参数，通常我们使用栈来传递参数，先将所有参数都压栈处理;
• 保存所调用的函数的下面一条指令的地址，就是我们执行完要调用的函数，拿到结果后程序接着从哪里继续运行的位置，通常我们也将其压入栈里保存；
• 跳转到被调用的函数，进行前面所说的栈帧的切换，然后执行函数主体；
• 函数返回，清理当前栈，之前压栈的元素都退栈，最终恢复到老的栈帧，返回在第二步保存的指令地址，继续程序的运行。

函数调用规则

函数一般都会有多个参数，我们根据函数调用时，

• 参数压栈的方向(参数从左到右入栈，还是从右到左入栈);
• 函数调用完是函数调用者负责将之前入栈的参数退栈，还是被调用函数本身来作等

这两点（其实还有一点，就是代码被编译后，生成新函数名的规则，跟我们这里介绍的关系不大）来分类函数的调用方式：

• stdcall: 函数参数由右向左入栈, 函数调用结束后由被调用函数清除栈内数据;
• cdecl: 函数参数由右向左入栈, 函数调用结束后由函数调用者清除栈内数据;
• fastcall: 从左开始不大于4字节的参数放入CPU的EAX,ECX,EDX寄存器，其余参数从右向左入栈, 函数调用结束后由被调用函数清除栈内数据; 这种方式最大的不同是用寄存器来存参数，所有它fast。

glibc中的memcpy

我们先来看下glibc中的memcpy , 原型如下：

void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

从src拷贝连续的n个字节数据到dest中, 不会有任何的内存越界检查。

char dest[5] = {0};                                                                                                    
char test[5] = {0,'b'};                                                                                                
char src[10] = {'a', 'a', 'a', 'a', 'a', 'a', 'a', 'a', 'a', 'a'};           

 ::memcpy(dest, src, 6);     
                                                   
std::cout << src << std::endl;  
std::cout << dest << std::endl;                                                                                        
std::cout << test << std::endl;

大家有兴趣的话可以考虑下上面的代码输出是什么？

汇编实现的memcpy

说来惭愧，汇编代码作者本人也不会写。不过我们可以参考linux源码里面的实现，这相对还是比较权威的吧。

它的实现位于 arch/x86/boot/copy.S, 文件开头有这么一行注释Copyright (C) 1991, 1992 Linus Torvalds， 看起来应该是大神亲手写下的。我们来看一看

GLOBAL(memcpy)
    pushw   %si
    pushw   %di
    movw    %ax, %di
    movw    %dx, %si
    pushw   %cx
    shrw    $2, %cx
    rep; movsl
    popw    %cx
    andw    $3, %cx
    rep; movsb
    popw    %di
    popw    %si
    retl
ENDPROC(memcpy)

• CPU的众多通用寄存器有%esi和%edi, 它们一个是源址寄存器，一个是目的寄存器，常被用来作串操作，我们的这个memcpy最终就是将%esi指向的内容拷贝到%edi中，因为这种代码在linux源码中是被标识成了.code16, 所有这里都只用到这两个寄存器的低16位：%si和%di；

• 代码的第一，二句保存当前的%si和%di到栈中；

• 这段代码实际上是fastcall调用方式，void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

  其中 dest 被放在了%ax寄存器，src被放在了%dx, n被放在了%cx;

• movw %ax, %di, 将dest放入%di中，movw %dx, %s，将stc放入%si中；

• 一个字节一个字节的拷贝太慢了，我们四个字节四个字节的来，shrw $2, %cx，看看参数n里面有几个4, 我们就需要循环拷贝几次，循环的次数存在%cx中，因为后面还要用到这个%cx, 所以计算之前先将其压栈保存 pushw %cx；

• rep; movsl， rep重复执行movsl这个操作，每执行一次%cx的内容就减一，直到为0。movsl每次从%si中拷贝4个字节到%di中。这其实就相当于一个for循环copy；

• 参数n不一定能被4整除，剩下的余数，我们只能一个字节一个字节的copy了。

  andw $3, %cx 就是对%cx取余，看还剩下多少字节没copy;

• rep; movsb一个字节一个字节的copy剩下的内容;

glibc中的memset

我们先来看下glibc中的memset, 原型如下：

void *memset(void *s, int c, size_t n);

这个函数的作用是用第二个参数的最低位一个字节来填充s地址开始的n个字节，尽管第二个参数是个int, 但是填充时只会用到它最低位的一个字节。

你可以试一下下面代码的输出：

int c = 0x44332211;                                                                                                    
int s = 0;                                                                                                             
::memset((void*)&s, c, sizeof(s));                                                                                       
std::cout << std::setbase(16) << s << std::endl; // 11111111

汇编实现的memset

我们还是来看一下arch/x86/boot/copy.S中的实现：

GLOBAL(memset)
    pushw   %di
    movw    %ax, %di
    movzbl  %dl, %eax
    imull   $0x01010101,%eax
    pushw   %cx
    shrw    $2, %cx
    rep; stosl
    popw    %cx
    andw    $3, %cx
    rep; stosb
    popw    %di
    retl
ENDPROC(memset)

• 不同于memcpy，这里不需要%si源址寄存器，只需要目的寄存器，所以我们先将其压栈保存 pushw %di;

• 参考void *memset(void *s, int c, size_t n)可知，参数s被放在了%ax寄存器；参数n被放在了%cx寄存器;

  参数c被放在了%dl寄存器，这里只用到了%edx寄存器的最低一个字节，所以对于c这个参数不管你是几个字节，其实多只有最低一个字节被用到；

• 和memcpy一样，一次一个字节的操作太慢了，一次四个字节吧，假设参数c的最低一个字节是0x11, 那么一次set四个字节的话，就是0x11111111:

  movzbl    %dl, %eax
  imull $0x01010101,%eax
  

​ imull $0x01010101,%eax这句话就是把0x11变成0x11111111

• rep; stosl，rep重复执行stosl 这个操作，每执行一次%cx的内容就减一，直到为0。stosl每次从%eax中拷贝4个字节到%di中。这其实就相当于一个for循环copy；

• 参数n不一定能被4整除，剩下的余数，我们只能一个字节一个字节的copy了。

  andw $3, %cx 就是对%cx取余，看还剩下多少字节没copy;

• rep; stosl 一个字节一个字节的copy剩下的内容;

好了，到这里这次的内容就结束了，有疏漏之处，欢迎指正。