为什么静态变量的地址是相对于指令指针的？

Question

我正在关注this tutorial 关于大会。

根据教程（我在本地也试过，结果差不多），源码如下：

int natural_generator()
{
        int a = 1;
        static int b = -1;
        b += 1;              /* (1, 2) */
        return a + b;
}

编译为这些汇编指令：

$ gdb static
(gdb) break natural_generator
(gdb) run
(gdb) disassemble
Dump of assembler code for function natural_generator:
push   %rbp
mov    %rsp,%rbp
movl   $0x1,-0x4(%rbp)
mov    0x177(%rip),%eax        # (1)
add    $0x1,%eax
mov    %eax,0x16c(%rip)        # (2)
mov    -0x4(%rbp),%eax
add    0x163(%rip),%eax        # 0x100001018 <natural_generator.b>
pop    %rbp
retq   
End of assembler dump.

（由我添加的行号 cmets (1)、(2) 和 (1, 2)。）

问题：为什么是，在编译的代码中，静态变量b相对于指令指针（RIP）的地址，它不断变化（见行(1) 和(2))，从而生成更复杂的汇编代码，而不是相对于存储这些变量的可执行文件的特定部分？

根据上面提到的教程，有有这样一个部分：

这是因为b 的值被硬编码在不同的部分 示例可执行文件，它与所有 当进程运行时，操作系统加载程序的机器码 启动。

（强调我的。）

Answer 1

使用 RIP 相对寻址来访问静态变量 b 有两个主要原因。首先是它使代码位置独立，这意味着如果它在共享库或position independent executable 中使用，代码可以更容易地重新定位。第二个是它允许将代码加载到 64 位地址空间中的任何位置，而无需在指令中编码巨大的 8 字节（64 位）位移，而 64 位 x86 CPU 无论如何都不支持这些位移。

您提到编译器可以改为生成引用变量的代码，该变量相对于它所在的部分的开头。虽然这样做也具有与上面给出的相同的优点，但它不会使程序集任何不太复杂。事实上，它会让事情变得更复杂。生成的汇编代码首先必须计算变量所在部分的地址，因为它只知道它相对于指令指针的位置。然后它必须将其存储在寄存器中，因此可以相对于该地址访问b（以及该部分中的任何其他变量）。

由于 32 位 x86 代码不支持 RIP 相对寻址，您的替代解决方案实际上是编译器在生成 32 位位置无关代码时所做的事情。它将变量b 放在全局偏移表(GOT) 中，然后访问相对于GOT 基址的变量。这是您的代码在使用gcc -m32 -O3 -fPIC -S test.c 编译时生成的程序集：

natural_generator:
        call    __x86.get_pc_thunk.cx
        addl    $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %ecx
        movl    b.1392@GOTOFF(%ecx), %eax
        leal    1(%eax), %edx
        addl    $2, %eax
        movl    %edx, b.1392@GOTOFF(%ecx)
        ret

第一个函数调用将以下指令的地址放入 ECX。下一条指令通过将 GOT 与指令开头的相对偏移量相加来计算 GOT 的地址。变量 ECX 现在包含 GOT 的地址，并在其余代码中访问变量 b 时用作基址。

将其与gcc -m64 -O3 -S test.c 生成的 64 位代码进行比较：

natural_generator:
        movl    b.1745(%rip), %eax
        leal    1(%rax), %edx
        addl    $2, %eax
        movl    %edx, b.1745(%rip)
        ret

（代码与您问题中的示例不同，因为优化已打开。一般来说，只查看优化的输出是一个好主意，因为如果没有优化，编译器通常会生成糟糕的代码，这些代码会做很多无用的事情。另请注意，不需要使用-fPIC 标志，因为编译器会生成与位置无关的 64 位代码。）

请注意，64 位版本中的汇编指令少了两条，因此它的复杂度更低。您还可以看到代码使用了少一个寄存器 (ECX)。虽然它对您的代码没有太大影响，但在一个更复杂的示例中，它是一个可以用于其他用途的寄存器。这使得代码更加复杂，因为编译器需要对寄存器进行更多处理。