C 指標原理（86）：GCC 編譯輸出組合語言分析 — 寄存器與記憶體分配

前言

透過 gcc -S 產生的組合語言，可窺探 C 程式的底層執行機制：變數如何映射到記憶體、函數呼叫慣例、堆疊幀建立與拆除等。本文以經典的 hello world 為例，逐步剖析 GCC (AT&T 語法) 輸出的組合語言。

一、IA-32 通用寄存器速查

AT&T 語法中寄存器前加 %，立即數前加 $。

二、C 變數在記憶體中的分布

靜態資料區

字串常數 "hello,world" 放在 .rodata 區，標記為 .LC0：

.section .rodata
.LC0:
    .string "hello,world"

程式啟動時已分配，位址固定。

堆疊區

區域變數、函數參數、回傳位址、暫存寄存器值皆放於堆疊。堆疊向低位址增長，%esp 永遠指向棧頂（下一個可用位置）。

常用指令：

• pushl %reg / pushl $imm：壓入堆疊，%esp -= 4
• popl %reg：彈出堆疊，%esp += 4

三、hello world 組合語言逐行解讀

.text
.p2align 4,,15
.globl main
.type main, @function
main:
    leal 4(%esp), %ecx      # 保存 argc 位址
    andl $-16, %esp         # 對齊堆疊到 16 位元組邊界
    pushl -4(%ecx)          # 壓入 argc
    pushl %ebp              # 保存舊基址指標
    movl %esp, %ebp         # 建立新堆疊幀
    pushl %ecx              # 保存 argc 位址
    subl $4, %esp           # 分配區域變數空間 (對齊用)
    movl $.LC0, (%esp)      # 將字串位址放到堆疊頂 (puts 參數)
    call puts               # 呼叫 puts
    movl $0, %eax           # 回傳值 0
    addl $4, %esp           # 釋放區域空間
    popl %ecx               # 還原 argc 位址
    popl %ebp               # 還原基址指標
    leal -4(%ecx), %esp     # 還原堆疊指標
    ret                     # 返回呼叫者

關鍵點解析

1. 堆疊對齊：andl $-16, %esp 確保 SSE 指令所需的 16-byte 對齊。
2. 參數傳遞：x86 呼叫慣例將參數壓入堆疊，最右參數最先壓入。此處 puts 只有一個參數，直接放在 (%esp)。
3. 保存/還原現場：pushl %ebp/popl %ebp 維護堆疊幀鏈，便於除錯回溯。
4. 回傳值：放在 %eax。

四、基本運算指令

• movl src, dst：複製資料（注意 AT&T 語法來源在前）
• addl src, dst：dst += src
• subl src, dst：dst -= src

範例：將變數 myvalue 加 100 再減 20：

movl myvalue, %ebx
addl $100, %ebx
subl $20, %ebx
movl %ebx, myvalue

總結

• 寄存器是 CPU 內部最高速儲存，編譯器盡量將熱門變數放入寄存器。
• 靜態資料（全域/靜態變數、字串常數）置於 .data/.rodata。
• 自動變數、呼叫鏈資訊置於堆疊，透過 %ebp/%esp 管理。
• 函數呼叫遵循約定：參數壓棧、建立堆疊幀、呼叫、清理堆疊、返回。