Laborator 06: Lucrul cu stiva

În acest laborator vom învăța cum este reprezentată stiva in limbajul de asamblare, care este utilitatea ei si cum se programeaza cu ajutorul acesteia.

In lumea algoritmicii, stiva este o structura de date abstracta prin intermediul careia se poate reprezenta informatie ce respecta regula “primul venit, ultimul servit”.

In lumea programarii assembly, stiva este o zona rezervata de memorie folosita pentru a tine evidenta operatiilor interne ale unui program: functii, adrese de retur, parametrii pasati, etc. Astfel, stiva poate fi vazuta ca o implementare la nivel hardware a stivei abstracte.

• Apeluri de functii. Fiecare apel de functie necesita, printre altele, memorarea adresei de retur. Imaginati-va ca aveti un numar de functii N ce se apeleaza succesiv : prima functie o apeleaza pe a 2-a, a 2-a pe a 3-a si asa mai departe; cand functia N a fost apelata si si-a terminat executia, programul trebuie sa continue in contextul in care a avut loc apelul. Daca retinem adresele de retur intr-o stiva, ordinea apelurilor se pastreaza in mod natural.
• Salvarea registrelor. De asemenea, de fiecare data cand se apeleaza o functie, exista riscul ca registrele sa fie folosite de functia apelata. Prin urmare, valorile acestora se pierd si flow-ul programului se strica. Pentru a evita acest comportament, valorile registrelor se pot salva temporar, pana la sfarsitul apelului functiei, pe stiva. Acest lucru se poate face in doua moduri:

1. Se salveaza independent fiecare registru ce poate fi suprascris in apel cu ajutorul instructiunii push. Problema apare din cauza ca apelantul nu poate cunoaste in prealabil ce registre se pot strica.
2. Se salveaza toate registrele cu ajutorul instructiunii pusha. Aici dezavantajul apare cauzat de faptul ca operatia se face considerabil mai lent. In acelasi timp, vom vedea in laboratorul urmator ca functiile cu tip returneaza cu ajutorul registrului eax rezultatul. La folosirea instructiunii popa, responsabila pentru restaurarea registrelor, valoare lui eax va fi pierduta.

• Variabile temporare. In general, programele folosesc un numar mare de variabile si rezultate partiale; avand in vedere ca exista un numar limitat de registre, este posibil ca la un moment dat, sa nu avem niciun registru disponibil pentru a retine valoarea unei operatii. In cazul acesta, putem memora rezultatul la o adresa de memorie pe care o definim in zona de date. Aceasta metoda are dezavantajul ca vom “polua” tabela de offset-uri cu variabile pe care le folosim o singura data. In loc sa facem aceasta pentru fiecare rezultat partial, este mai usor sa punem pe stiva valoarea unui registru pentru a il putea folosi si a o recupera in momentul in care nu mai folosim variabila temporara.

Stiva poate fi modificata in 2 moduri:

1. Prin utilizarea instructiunilor special implementate pentru lucrul cu stiva, dintre care cele mai uzuale sunt push si pop:

%include "io.asm"
 
section .text
global CMAIN
CMAIN:                        
 
    mov eax, 7
    mov ebx, 8
    add eax, ebx
    push eax                 ; pune pe stiva continutul registrului eax
    mov eax, 10              ; acum putem folosi registrul, intrucat valoarea lui este salvata pe stiva
    PRINTF32 `%d \n\x0`, eax ; 10
 
    pop eax                  ; recupereaza valoarea registrului eax
    PRINTF32 `%d \n\x0`, eax ; 15

2. Adresand memoria, cu ajutorului registrului in care este tinut pointerul catre capul stivei (“stack pointer”) esp:

%include "io.asm"
 
section .text
global CMAIN
CMAIN:                        
    mov eax, 7
    mov ebx, 8
    add eax, ebx
    sub esp, 4           ; rezerva 4 octeti pe stiva
    mov [esp], eax       ; muta la noua adresa catre care pointeaza esp continutul registrului eax
    mov eax, 10
    PRINTF32 `%d \n\x0`, eax
 
    mov eax, [esp]       ; recupereaza valoarea de pe stiva
    add esp, 4           ; restabileste valoarea registrului esp
    PRINTF32 `%d \n\x0`, eax

Remarcati faptul ca stiva creste de la adrese mari la adrese mici. Acesta este motivul pentru care alocarea memoriei pe stiva se face folosind instructiunea sub, iar eliberarea se face folosind instructiunea add.

Unele procesoare nu au suport pentru lucrul cu stiva: spre exemplu, procesoarele MIPS nu au instructiuni push si pop si nici un registru special pentru stack pointer. Astfel, daca am dori sa implementam operatiile pe stiva in procesorul MIPS aceasta s-ar realiza exact ca in exemplul de mai sus, doar ca am putea sa ne alegem noi orice registru pentru a tine minte stack pointerul.

Asadar, instructiunea push eax, pe un procesor x86, este echivalenta cu:

sub esp, 4
mov [esp], eax

Iar instructiunea pop eax:

mov eax, [esp]
add esp, 4

Spatiul de adresa al unui proces, sau, mai bine spus, spatiul virtual de adresa al unui proces reprezinta zona de memorie virtuala utilizabila de un proces. Fiecare proces are un spatiu de adresa propriu. Chiar in situatiile in care doua procese partajează o zona de memorie, spatiul virtual este distinct, dar se mapeaza peste aceeasi zona de memorie fizica.

In figura alaturata este prezentat un spatiu de adresa tipic pentru un proces.

Cele 4 zone importante din spatiul de adresa al unui proces sunt zona de date, zona de cod, stiva si heap-ul. După cum se observa si din figura, stiva si heap-ul sunt zonele care pot creste. De fapt, aceste doua zone sunt dinamice si au sens doar in contextul unui proces. De partea cealalta, informatiile din zona de date si din zona de cod sunt descrise in executabil.

1. Regula de aur a utilizarii stivei este : numarul de push-uri == numarul de pop-uri intr-o functie. Avand in vedere ca stiva este folosita pentru apelarea functiilor, este foarte important ca in momentul in care o functie isi termina executia, sa actualizeze esp-ul astfel incat acesta sa indice catre aceeasi zona de memorie (a stivei) catre care indica in momentul intrarii in functie.

2. Avand in vedere ca exista situatii in care facem un numar N de push-uri si ajungem la finalul functiei fara sa fi facut pop pentru niciuna dintre valori, putem restabili capul stivei folosind instructiunea add.

section .text
global CMAIN
CMAIN:
    mov eax, 5
    mov ebx, 6
    mov ecx, 7
 
    push eax
    push ebx
    push ecx
 
    add esp, 12     ; echivalent cu utilizarea a 3 pop-uri consecutive
    ret

3. Metoda de mai sus are dezavantajul ca tot trebuie sa cautam prin program cate push-uri am facut (ceea ce poate sa necesite destul de mult timp in programele din viata reala). Daca nu vrem sa nu ne batem deloc capul cu stack pointerul, putem sa folosim urmatoarea constructie:

section .text
global CMAIN
CMAIN:
 
    mov ebp, esp       ; salveaza stack pointerul curent
 
    mov eax, 5
    mov ebx, 6
    mov ecx, 7
 
    push eax
    push ebx
    push ecx
 
    mov esp, ebp       ; restaureaza stack pointerul
    ret

Pornind de la exercițiul 0-recap-mean.asm din arhiva de laborator, implementați codul lipsă, marcat de comentarii de tip TODO, pentru a realiza un program care calculează media aritmetică a elementelor dintr-un vector. Afișați doar partea întreagă a mediei (câtul împărțirii).

Calculați maximul dintre numerele din 2 registre (eax și ebx) folosind o instrucțiune de comparație, o instrucțiune de salt și instrucțiuni push/pop.

Pornind de la exercițiul reverse-array.asm, implementați TODO-urile fără a folosi instrucțiunea mov în lucrul cu array-urile astfel încât în array-ul output la finalul programului să se afle array-ul input inversat.

Reversed array:
911
845
263
242
199
184
122

Programul stack-addressing.asm din arhiva laboratorului alocă și inițializează două variabile locale pe stivă:

• un array format din numerele naturale de la 1 la NUM
• un string “Ana are mere”.

1. Înlocuiți fiecare instrucțiune push cu o secvență de instrucțiuni echivalentă.
2. Printați adresele și valorile de pe stivă din intervalul [ESP, EBP] (de la adrese mici la adrese mari) octet cu octet.
3. Printați string-ul alocat pe stivă octet cu octet și explicați cum arată acesta în memorie. Gândiți-vă de la ce adresă ar trebui să afișați și când ar trebui să vă opriți.
4. Printați vectorul alocat pe stivă element cu element. Gândiți-vă de la ce adresă ar trebui să începeți afișarea și ce dimensiune are un element.

0xffcf071b: 65
0xffcf071c: 110
0xffcf071d: 97
0xffcf071e: 32
0xffcf071f: 97
...
0xffcf0734: 4
0xffcf0735: 0
0xffcf0736: 0
0xffcf0737: 0
0xffcf0738: 5
0xffcf0739: 0
0xffcf073a: 0
0xffcf073b: 0
Ana are mere
1 2 3 4 5

Programul merge-arrays.asm din cadrul arhivei de laborator, îmbină două array-uri sortate crescător (array_1 și array_2) punând array-ul rezultat în array_output definit în secțiunea .data.

Modificați programul astfel încat array_output să fie alocat pe stivă. Alocarea array-ului se face cu instructiunea sub.

Deschideți gcd.asm și rulați programul. Codul calculează cel mai mare divizor comun dintre două numere date ca parametru prin registrele eax și edx, și pune valoarea calculată tot în registrul eax.

1. Faceți modificările necesare astfel încat mesajul de eroare - Segmentation fault (core dumped) - să nu mai apară.
2. În cadrul label-ului print afișați rezultatul sub forma:

gcd(49,28)=7

Soluțiile pentru exerciții sunt disponibile aici.