作者：阮一峰日期： 2018年1月21日

学习编程其实就是学高级语言，即那些为人类设计的计算机语言。

但是，计算机不理解高级语言，必须通过编译器转成二进制代码，才能运行。学会高级语言，并不等于理解计算机实际的运行步骤。

计算机真正能够理解的是低级语言，它专门用来控制硬件。汇编语言就是低级语言，直接描述/控制 CPU 的运行。如果你想了解 CPU 到底干了些什么，以及代码的运行步骤，就一定要学习汇编语言。

汇编语言不容易学习，就连简明扼要的介绍都很难找到。下面我尝试写一篇最好懂的汇编语言教程，解释 CPU 如何执行代码。

一、汇编语言是什么？

我们知道， CPU 只负责计算，本身不具备智能。你输入一条指令（instruction），它就运行一次，然后停下来，等待下一条指令。

这些指令都是二进制的，称为操作码（opcode），比如加法指令就是00000011。编译器的作用，就是将高级语言写好的程序，翻译成一条条操作码。

对于人类来说，二进制程序是不可读的，根本看不出来机器干了什么。为了解决可读性的问题，以及偶尔的编辑需求，就诞生了汇编语言。

汇编语言是二进制指令的文本形式，与指令是一一对应的关系。比如，加法指令 00000011 写成汇编语言就是 ADD 。只要还原成二进制，汇编语言就可以被 CPU 直接执行，所以它是最底层的低级语言。

二、来历

最早的时候，编写程序就是手写二进制指令，然后通过各种开关输入计算机，比如要做加法了，就按一下加法开关。后来，发明了纸带打孔机，通过在纸带上打孔，将二进制指令自动输入计算机。

为了解决二进制指令的可读性问题，工程师将那些指令写成了八进制。二进制转八进制是轻而易举的，但是八进制的可读性也不行。很自然地，最后还是用文字表达，加法指令写成 ADD 。内存地址也不再直接引用，而是用标签表示。

这样的话，就多出一个步骤，要把这些文字指令翻译成二进制，这个步骤就称为 assembling ，完成这个步骤的程序就叫做 assembler 。它处理的文本，自然就叫做 aseembly code。标准化以后，称为 assembly language，缩写为 asm ，中文译为 汇编语言。

每一种 CPU 的机器指令都是不一样的，因此对应的汇编语言也不一样。本文介绍的是目前最常见的 x86 汇编语言，即 Intel 公司的 CPU 使用的那一种。

三、寄存器

学习汇编语言，首先必须了解两个知识点：寄存器 和 内存模型。

先来看寄存器。 CPU 本身只负责运算，不负责储存数据。数据一般都储存在内存之中， CPU 要用的时候就去内存读写数据。但是，CPU 的运算速度远高于内存的读写速度，为了避免被拖慢，CPU 都自带一级缓存和二级缓存。基本上，CPU 缓存可以看作是读写速度较快的内存。

但是，CPU 缓存还是不够快，另外数据在缓存里面的地址是不固定的，CPU 每次读写都要寻址也会拖慢速度。因此，除了缓存之外，CPU 还自带了寄存器（register），用来储存最常用的数据。也就是说，那些最频繁读写的数据（比如循环变量），都会放在寄存器里面，CPU 优先读写寄存器，再由寄存器跟内存交换数据。

寄存器不依靠地址区分数据，而依靠名称。每一个寄存器都有自己的名称，我们告诉 CPU 去具体的哪一个寄存器拿数据，这样的速度是最快的。有人比喻寄存器是 CPU 的 零级缓存 。

四、寄存器的种类

早期的 x86 CPU 只有 8 个寄存器，而且每个都有不同的用途。现在的寄存器已经有100多个了，都变成通用寄存器，不特别指定用途了，但是早期寄存器的名字都被保存了下来。

EAX
EBX
ECX
EDX
EDI
ESI
EBP
ESP

上面这8个寄存器之中，前面七个都是通用的。 ESP 寄存器有特定用途，保存当前 Stack 的地址（详见下一节）。

我们常常看到 32位 CPU、64位 CPU 这样的名称，其实指的就是寄存器的大小。32 位 CPU 的寄存器大小就是4个字节。

五、内存模型：Heap

寄存器只能存放很少量的数据，大多数时候，CPU 要指挥寄存器，直接跟内存交换数据。所以，除了寄存器，还必须了解内存怎么储存数据。

程序运行的时候，操作系统会给它分配一段内存，用来储存程序和运行产生的数据。这段内存有起始地址和结束地址，比如从 0x1000 到 0x8000 ，起始地址是较小的那个地址，结束地址是较大的那个地址。

程序运行过程中，对于动态的内存占用请求（比如新建对象，或者使用 malloc 命令），系统就会从预先分配好的那段内存之中，划出一部分给用户，具体规则是从起始地址开始划分（实际上，起始地址会有一段静态数据，这里忽略）。举例来说，用户要求得到10个字节内存，那么从起始地址 0x1000 开始给他分配，一直分配到地址 0x100A ，如果再要求得到22个字节，那么就分配到 0x1020 。

这种因为用户主动请求而划分出来的内存区域，叫做 Heap（堆）。它由起始地址开始，从低位（地址）向高位（地址）增长。 Heap 的一个重要特点就是不会自动消失，必须手动释放，或者由垃圾回收机制来回收。

六、内存模型：Stack

除了 Heap 以外，其他的内存占用叫做 Stack（栈）。简单说，Stack 是由于函数运行而临时占用的内存区域。

请看下面的例子。

int main() {
   int a = 2;
   int b = 3;
}

上面代码中，系统开始执行 main 函数时，会为它在内存里面建立一个帧（frame），所有 main 的内部变量（比如 a 和 b ）都保存在这个帧里面。 main 函数执行结束后，该帧就会被回收，释放所有的内部变量，不再占用空间。

如果函数内部调用了其他函数，会发生什么情况？

int main() {
   int a = 2;
   int b = 3;
   return add_a_and_b(a, b);
}

上面代码中， main 函数内部调用了 add_a_and_b 函数。执行到这一行的时候，系统也会为 add_a_and_b 新建一个帧，用来储存它的内部变量。也就是说，此时同时存在两个帧： main 和 add_a_and_b 。一般来说，调用栈有多少层，就有多少帧。

等到 add_a_and_b 运行结束，它的帧就会被回收，系统会回到函数 main 刚才中断执行的地方，继续往下执行。通过这种机制，就实现了函数的层层调用，并且每一层都能使用自己的本地变量。

所有的帧都存放在 Stack ，由于帧是一层层叠加的，所以 Stack 叫做 栈 。生成新的帧，叫做”入栈“，英文是 push；栈的回收叫做”出栈“，英文是 pop。Stack 的特点就是，最晚入栈的帧最早出栈（因为最内层的函数调用，最先结束运行），这就叫做”后进先出”的数据结构。每一次函数执行结束，就自动释放一个帧，所有函数执行结束，整个 Stack 就都释放了。

Stack 是由内存区域的结束地址开始，从高位（地址）向低位（地址）分配。比如，内存区域的结束地址是 0x8000 ，第一帧假定是16字节，那么下一次分配的地址就会从 0x7FF0 开始；第二帧假定需要64字节，那么地址就会移动到 0x7FB0 。

七、CPU 指令

7.1 一个实例

了解寄存器和内存模型以后，就可以来看汇编语言到底是什么了。下面是一个简单的程序 example.c 。

int add_a_and_b(int a, int b) {
   return a + b;
}

int main() {
   return add_a_and_b(2, 3);
}

gcc 将这个程序转成汇编语言。

$ gcc -S example.c

上面的命令执行以后，会生成一个文本文件 example.s ，里面就是汇编语言，包含了几十行指令。这么说吧，一个高级语言的简单操作，底层可能由几个，甚至几十个 CPU 指令构成。 CPU 依次执行这些指令，完成这一步操作。

example.s 经过简化以后，大概是下面的样子。

_add_a_and_b:
   push   %ebx
   mov    %eax, [%esp+8] 
   mov    %ebx, [%esp+12]
   add    %eax, %ebx 
   pop    %ebx 
   ret  

_main:
   push   3
   push   2
   call   _add_a_and_b 
   add    %esp, 8
   ret

可以看到，原程序的两个函数 add_a_and_b和main ，对应两个标签 _add_a_and_b 和 _main 。每个标签里面是该函数所转成的 CPU 运行流程。

每一行就是 CPU 执行的一次操作。它又分成两部分，就以其中一行为例。

push   %ebx

这一行里面， push 是 CPU 指令， %ebx 是该指令要用到的运算子。一个 CPU 指令可以有零个到多个运算子。

下面我就一行一行讲解这个汇编程序，建议读者最好把这个程序，在另一个窗口拷贝一份，省得阅读的时候再把页面滚动上来。

7.2 push 指令

根据约定，程序从 _main 标签开始执行，这时会在 Stack 上为 main 建立一个帧，并将 Stack 所指向的地址，写入 ESP 寄存器。后面如果有数据要写入 main 这个帧，就会写在 ESP 寄存器所保存的地址。

然后，开始执行第一行代码。

push   3

push 指令用于将运算子放入 Stack ，这里就是将 3 写入 main 这个帧。

虽然看上去很简单， push 指令其实有一个前置操作。它会先取出 ESP 寄存器里面的地址，将其减去4个字节，然后将新地址写入 ESP 寄存器。使用减法是因为 Stack 从高位向低位发展，4个字节则是因为3的类型是 int ，占用4个字节。得到新地址以后，再把 3 写入刚才释放的这四个字节。

push   2

第二行也是一样， push 指令将 2 写入 main 这个帧，位置紧贴着前面写入的 3 。这时， ESP 寄存器会再减去 4个字节（累计减去8）。

7.3 call 指令

第三行的 call 指令用来调用函数。

call   _add_a_and_b

上面的代码表示调用 add_a_and_b 函数。这时，程序就会去找 _add_a_and_b 标签，并为该函数建立一个新的帧。

下面就开始执行 _add_a_and_b 的代码。

push   %ebx

这一行表示将 EBX 寄存器里面的值，写入 _add_a_and_b 这个帧。这是因为后面要用到这个寄存器，就先把里面的值取出来，用完后再写回去。

这时， push 指令会再将 ESP 寄存器里面的地址减去4个字节（累计减去12）。

7.4 mov 指令

mov 指令用于将一个值写入某个寄存器。

mov    %eax, [%esp+8] 

这一行代码表示，先将 ESP 寄存器里面的地址加上8个字节，得到一个新的地址，然后按照这个地址在 Stack 取出数据。根据前面的步骤，可以推算出这里取出的是 2，再将 2 写入 EAX 寄存器。

下一行代码也是干同样的事情。

mov    %ebx, [%esp+12] 

上面的代码将 ESP 寄存器的值加12个字节，再按照这个地址在 Stack 取出数据，这次取出的是 3 ，将其写入 EBX 寄存器。

7.5 add 指令

add 指令用于将两个运算子相加，并将结果写入第一个运算子。

add    %eax, %ebx

上面的代码将 EAX 寄存器的值（即2）加上 EBX 寄存器的值（即 3 ），得到结果 5，再将这个结果写入第一个运算子 EAX 寄存器。

7.6 pop 指令

pop 指令用于取出 Stack 最近一个写入的值（即最低位地址的值），并将这个值写入运算子指定的位置。

pop    %ebx

上面的代码表示，取出 Stack 最近写入的值（即 EBX 寄存器的原始值），再将这个值写回 EBX 寄存器（因为加法已经做完了，EBX 寄存器用不到了）。

注意， pop 指令还会将 ESP 寄存器里面的地址加 4，即回收4个字节。

.7 ret 指令

ret 指令用于终止当前函数的执行，将运行权交还给上层函数。也就是，当前函数的帧将被回收。

ret

可以看到，该指令没有运算子。

随着 add_a_and_b 函数终止执行，系统就回到刚才 main 函数中断的地方，继续往下执行。

add    %esp, 8 

上面的代码表示，将 ESP 寄存器里面的地址，手动加上8个字节，再写回 ESP 寄存器。这是因为 ESP 寄存器的是 Stack 的写入开始地址，前面的pop 操作已经回收了4个字节，这里再回收8个字节，等于全部回收。

ret

最后， main 函数运行结束， ret 指令退出程序执行。

留言讨论

js 闭包

zeon 说：

阮老师JS的闭包是不是在栈中的内存占用不回收呢？会一直占用？还是说闭包的空间是v8申请的椎的空间？

2018年1月22日 09:36 | # | 引用

阮一峰说：

@zeon：是的，闭包属于 Stack 里面的帧不回收，详见 https://blog.sessionstack.com/how-javascript-works-memory-management-how-to-handle-4-common-memory-leaks-3f28b94cfbec

2018年1月26日 17:17

引用

小调用说：

引用zeon的发言：阮老师JS的闭包是不是在栈中的内存占用不回收呢？会一直占用？还是说闭包的空间是v8申请的椎的空间？

JS里的闭包，都是在堆中申请的，由GC管理，不是这里的栈，“JS栈”与汇编或C语言中的栈是两个概念。汇编栈不存在GC，由函数调用与返回来自动更新SP指针实现的。JS函数与这儿的函数是两种东西。

2018年2月 4日 23:18

引用

hjs 说：

引用zeon的发言：阮老师JS的闭包是不是在栈中的内存占用不回收呢？会一直占用？还是说闭包的空间是v8申请的椎的空间？

建议了解浏览器内存回收机制。闭包是因为一直保持引用关系，所以不会被回收

EBX EAX

2018年1月22日 02:09

引用

jimmy 说：

为什么我们用到EBX就push EBX，而用到EAX却没push EAX呢？

2018年1月22日 08:01

引用

阮一峰说：

@jimmy

我的理解是 EAX 属于最频繁使用的通用寄存器，所以约定没有必要保留它的值。

2018年1月22日 10:58 | # | 引用

bluestonechina 说：

引用jimmy的发言：为什么我们用到EBX就push EBX，而用到EAX却没push EAX呢？

EAX用于保存返回值，这个值肯定会被覆盖，所以需要调用着保存。 rbx,rbp,r12-r15是被调用着保存寄存器，如果被调用着需要使用，就需要压入stack中。其他寄存器是调用者保存寄存器，调用者如果需要调用前后这些值保持一致，则需要自己保存起来

2018年6月11日 13:12

引用

Singu 说：

引用阮一峰的发言： @jimmy

我的理解是 EAX 属于最频繁使用的通用寄存器，所以约定没有必要保留它的值。哈哈，我觉得是因为程序中的return，假设把原程序修改一下，改成:

int add_a_and_b(int a, int b) { return a + b; }

int main() { return add_a_and_b(2, 3) + 3; // 修改此处代码 }

那么，在_add_a_and_b函数返回时，就不需要再从内存中取出结果了，直接把后面累加的3存到EBX中，然后执行add %eax, %ebx即可。

这样就少了一次从内存中取出数据的操作(可能还有存入内存的操作)。

帧大小

2018年1月22日 16:41 | # | 引用

白菜说：

0xFFFF0010(_main+16)这里指的是为_add_a_and_b建立的帧吗？也是占4个字节吗？那_main+16又是指什么？

2018年1月24日 12:52

引用

阮老师的小粉丝说：

我请教一个问题，如文中所述：比如，内存区域的结束地址是0x8000，第一帧假定是16字节，那么下一次分配的地址就会从0x7FF0开始；第二帧假定需要64字节，那么地址就会移动到0x7FB0。

我想知道是怎样分配每一帧的大小呢，比如_add_a_and_b:，我该怎样知道分配多少内存给这一帧呢？

2018年1月25日 14:51

引用

gle 说：

引用阮老师的小粉丝的发言：我请教一个问题，如文中所述：比如，内存区域的结束地址是0x8000，第一帧假定是16字节，那么下一次分配的地址就会从0x7FF0开始；第二帧假定需要64字节，那么地址就会移动到0x7FB0。

我想知道是怎样分配每一帧的大小呢，比如_add_a_and_b:，我该怎样知道分配多少内存给这一帧呢？

C语言的数据类型都有大小。编译器可以根据函数内定义的所有局部变量（其实真实情况更复杂一些，还有static，const等修饰符会影响），一次性“分配”出相应数量的内存（就是将sp的值减去相应的大小）。函数返回时，会先清理掉自己的局部变量（用leave把bp恢复到sp），再将sp所指地址的内容恢复到bp，然后ret。阮老文章里的例子过于简单，有些指令没用上。

P.S. 汇编指令也是会分成几个步骤执行（所谓的指令周期，机器周期，时钟周期），所以如果有说错或不清楚的地方，勿喷，多包涵。

堆栈

2018年1月25日 15:21 | # | 引用

alexsaurora 说：

请教您一个问题，Heap是先进先出的吗？我在StackOverflow上看到的是Heap没有一个明确的顶，所以它可以随时进入和出去。

2018年1月25日 15:42

引用

gle 说：

引用alexsaurora的发言：请教您一个问题，Heap是先进先出的吗？我在StackOverflow上看到的是Heap没有一个明确的顶，所以它可以随时进入和出去。

堆栈，堆栈，堆是堆，栈是栈。（信号是信号，信号量是信号量，一个是signal，一个是semaphore。回想起了好些迷惑的术语翻译）

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进程中heap跟在data区域的后面（请参考任何一个进程的maps）。heap所占用的内存是C库调用brk系统调用向操作系统（暂时不考虑Windows）申请的（详细内容可以man brk家族的文档），操作系统只是维护brk的位置，C库会负责管理申请到的内存。

以前debug segfault时，看过Android的malloc实现，其实就是Doug Lea的dlmalloc（wiki有详细介绍，Android源码也可以随便看）。dlmalloc会根据程序的需求将操作系统给的连续内存分成内存块，每个块的头部保存着大小、是否已分配等信息。块是内存对齐的，相邻块是紧挨着的（因此，可以合并）。当代码调用malloc时，malloc会查找满足需求的块，如果找不到，就会再次调用brk向操作系统申请。当代码调用free时，free会更新块头部的信息，可能还会把相邻的空闲块合并，组成更大的块。

实际情况比描述的要复杂，并且也有其他实现方式。dlmalloc的数据结构和扩展分区的结构很类似。从第一个块开始捋，顺藤摸瓜，就可以遍历所有块。我嘴比较笨，描述不清楚，网上有很多形象的图片可以看。

References

汇编语言入门教程, 阮一峰
Introduction to reverse engineering and Assembly, by Youness Alaoui
x86 Assembly Guide, by University of Virginia Computer Science

aimuke

Welcome to the real world!It sucks,but you're gonna love it

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