[心得] x86的segment

[SILee (打卡上班的日子)]

學過system programming或OS的人都知道
一個program可以分成code(text)、data、stack以及heap(bss)這四個segment
對x86來說就是用cs、ds、ss、es、fs和gs來assign各個segment的start address
理論上這四個segments是可以透過segment register來分離memory space的
也就是說在VM的支援下這些segments都可以享有各自獨立且互不影響的4GB memory space
但是許多C/C++ compiler在實作上會利用stack來暫存function的local variables
這將會導致一個問題出現------ss和ds必須共用一個4GB的memory space
否則在傳遞call by reference的pointer過程中將會出現非常嚴重地邏輯錯誤

舉個例子來說

main()
{
        func_1();
}

void func_1()
{
        int x = 1;
        func_2(&x);
}

void func_2(int *ptr)
{
        *ptr = 10;
}

正常來說這段程式在執行後func_1的x應該會等於10才對

假設今天ds、ss、bp和sp的值分別為
ds = 0x0000
ss = 0x1000
bp = 0x1000
sp = 0x1000
將這段程式用gcc compile之後會產生這樣的assembly code

func_1:
        pushl %ebp
        movl %esp, %ebp
        subl $20, %esp          // 清出20 bytes給local variables使用
                                // esp = 0x0fe0
        movl $0, %eax
        movl $1, -4(%ebp)       // 將x的值存放在stack(0x1000:0x0ffc)中
        leal -4(%ebp), %eax     // 將&x放入eax中
        movl %eax, (%esp)       // 將eax置入stack(0x1000:0x0fe0)中
        call func_2
        leave
        ret

func_2:
        pushl %ebp
        movl %esp, %ebp
        leal 8(%ebp), %eax      // 將ptr所指向的address放入eax中
                                // eax = 0x0ffc
        movl $10, (%eax)        // 將10放入(%eax)裡
        popl %ebp
        ret

問題就出現在紅色這一行instruction
(%eax)在x86裡隱含的實際意義應該是%ds:(%eax)而非%ss:(%eax)
也就是說實際上程式是把10放到了0x0000:0x0ffc
但是x正確address的應該是在0x1000:0x0ffc


以上是最近一個月在寫一些low level的system program時遇到的問題
之前把ds和ss分開設在不同的地方
結果只要一遇到pointer的傳遞，程式執行的結果就會出錯
到最後才發現是因為GCC是利用stack來存放local variables造成的

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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 61.59.105.115
→ lungswu:請問這是reasl mode，還是protected mode，看起來怪怪的
  應該是protect mode和real mode都適用
  只是我為了方便說明
  所以ds和ss存的值不是用LDT或GDT來表示
  而是直接用他們的segment start address
  況且GCC好像也沒辦法編出real mode下16-bits的code
※ 編輯: SILee           來自: 61.59.105.115        (05/10 14:44)
推 Ross0916:我感覺你的文章也有很嚴重的觀念錯誤
→ Ross0916:segment 跟 section 是兩回事
→ Ross0916:而且PM下 segment register 改成 selector 了
→ Ross0916:不是"assign各個segment的start address"
→ Ross0916:再來 你幹嘛亂設 ss 跟 ds?
→ Ross0916:local var 放 stack 是標準做法 不然哪來的 enter/leave?
推 ggg12345:如x=1宣告在main就是global變數,組語會帶入ds:offset嗎?
推 lungswu:感覺這code是從power on reset之後在組合語言階段進入
→ lungswu:protect mode，再由組合語言呼叫這些C function
→ lungswu:導致DS SS沒設好，也導致原PO對real mode，protect mode
→ lungswu:中，segment,section有些搞不清楚
→ final01:memory space應該用address space這專有名詞比較正確
→ final01:而且跟vm沒關係才對~那是X86的段機制
推 ggg12345:就C言,func1的local變數值不該被外部變動,函數如公式不變
→ ggg12345:global變數是各函數可共用的區域,才會使用pointer傳值.
推 wowtiger:PM下segment好像在linear address上面 cs之類則selector