程序的加载和执行（三）——读书笔记23
接着上次的内容说。
关于过程load_relocate_program的讲解还没有完，还差创建栈段描述符和重定位符号表。
分配栈空间与创建栈段描述符
462 ;建立程序堆栈段描述符
463 mov ecx,[edi+0x0c] ;4KB的倍率
464 mov ebx,0x000fffff
465 sub ebx,ecx ;得到段界限
466 mov eax,4096
467 mul dword [edi+0x0c]
468 mov ecx,eax ;准备为堆栈分配内存
469 call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
470 add eax,ecx ;得到堆栈的高端物理地址
471 mov ecx,0x00c09600 ;4KB粒度的堆栈段描述符
472 call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
473 call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
474 mov [edi+0x08],cx说代码之前，先上图，用户程序的头部示意图：
提醒一下，这时候DS：EDI依然指向用户程序的起始位置。
463行，取得用户设置的栈段的大小（以4KB为单位）,就是下面公式中的N；
464~465，计算出描述符中的段界限，计算公式是：
如果不明白为什么是这个公式，可以参考我的博文：《如何构造栈段描述符》
http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50967180
466~469，调用过程allocate_memory申请栈空间；
470：准备参数EAX,因为描述符中的基地址等于栈空间的低端物理地址加上栈的大小。不懂的还请参考我上面提到的博文。
472~473，创建并安装栈段描述符。
474：将选择子回填到对应的位置（请参考上图）。
符号表的重定位
为了使用内核提供的例程，用户程序需要建立一个符号表。当用户程序被加载后，内核会根据这个符号表来回填每个例程的入口地址。这个过程就是符号地址的重定位。重定位过程中必不可少的环节是字符串的比较和匹配。
为了对用户程序的符号表进行匹配，内核也必须建立一张符号表，这张符号表包含了内核提供的所有例程。
329;===============================================================================
330 SECTION core_data vstart=0 ;系统核心的数据段
331;-------------------------------------------------------------------------------
332 pgdt dw 0 ;用于设置和修改GDT
333 dd 0
334
335 ram_alloc dd 0x00100000 ;下次分配内存时的起始地址
336
337 ;符号地址检索表
338 salt:
339 salt_1 db ‘@PrintString‘
340 times 256-($-salt_1) db 0
341 dd put_string
342 dw sys_routine_seg_sel
343
344 salt_2 db ‘@ReadDiskData‘
345 times 256-($-salt_2) db 0
346 dd read_hard_disk_0
347 dw sys_routine_seg_sel
348
349 salt_3 db ‘@PrintDwordAsHexString‘
350 times 256-($-salt_3) db 0
351 dd put_hex_dword
352 dw sys_routine_seg_sel
353
354 salt_4 db ‘@TerminateProgram‘
355 times 256-($-salt_4) db 0
356 dd return_point
357 dw core_code_seg_sel
358
359 salt_item_len equ $-salt_4
360 salt_items equ ($-salt)/salt_item_len以上代码中第339~360，就是内核的符号表。
我们再看一下用户程序中定义的用户符号表（在文件c13.asm中）。
24;-------------------------------------------------------------------------------
25 ;符号地址检索表
26 salt_items dd (header_end-salt)/256 ;#0x24
27
28 salt: ;#0x28
29 PrintString db ‘@PrintString‘
30 times 256-($-PrintString) db 0
31
32 TerminateProgram db ‘@TerminateProgram‘
33 times 256-($-TerminateProgram) db 0
34
35 ReadDiskData db ‘@ReadDiskData‘
36 times 256-($-ReadDiskData) db 0内核符号表的每个条目包括两部分：
1. 256字节的符号名，不足的部分用零填充；
2. 例程的入口（4字节的偏移地址+2字节的段选择子）；
用户符号表的每个条目只有一个部分：
256字节的符号名，不足的部分用零填充。
当内核对用户符号表完成重定位后，用户符号表的内容发生了改变：每个条目的前6个字节被重新填写，填写的是对应例程的入口。
上面的过程可以用一张图来说明：
CMPS指令
在讲述代码之前，我们先学习字符串比较指令cmps。该指令有3种形式，分别用于字节、字和双字的比较。
cmpsb ;字节比较
cmpsw ;字比较
cmpsd ;双字比较在16位模式下，源字符串的首地址由DS:SI指定，目的字符串的首地址由ES:DI指定；
在32位模式下，源字符串的首地址由DS:ESI指定，目的字符串的首地址由ES:EDI指定；
在处理器内部，cmps指令的操作是把两个操作数相减，然后根据结果设置相应的标志位。这还没有完，还要根据DF的值调整(E)SI和(E)DI的值。下图是从《Intel Architecture Software Developer’s Manual Volume 2:Instruction Set Reference》弄过来的，用伪代码描述了操作过程。
REP/REPE/REPZ/REPNE/REPNZ指令
单纯的cmps指令只比较一次，如果要连续比较，需要加指令前缀rep;连续比较的次数由CX(16位模式下)或者ECX(32位模式下)控制。除了rep前缀，还有repe(repz),表示相等则重复；repne(repnz)表示不相等则重复。用这些前缀结合cmps比较时，操作过程如下：
由此可见，repe(repz)用于搜索第一个不相等的字节、字或者双字，repne(repnz)用来搜索第一个相等的字节、字或者双字。
好了，有了以上铺垫，我们可以进入代码的学习了。
476 ;重定位SALT
477 mov eax,[edi+0x04]
478 mov es,eax ;es -> 用户程序头部
479 mov eax,core_data_seg_sel
480 mov ds,eax
481
482 cld
483
484 mov ecx,[es:0x24] ;用户程序的SALT条目数
485 mov edi,0x28 ;用户程序内的SALT位于头部内0x28处477~478:把之前安装好的头部段选择子赋值给ES；（注意，DS依然指向0-4GB内存段，EDI中的值是程序加载的物理地址，所以[edi+0x04]就可以寻址到头部段的选择子。）
479~480：DS指向核心数据段；
482：令DF标志位=0，采用正向比较；
484：如下图所示，把用户的符号表的条目数传入ECX；
485：令ES:EDI指向第一个符号。
为了说明代码思路，还是引用书上的一张图吧：
思路是两层循环，分为外循环和内循环。外循环的作用是从用户符号表依次取出符号1，符号2，…符号N；内循环的作用是遍历内核符号表的每一个条目，同外循环取出的那个条目进行对比。如果匹配，则复制偏移地址和段选择子，之后跳出到外循环。
请注意红色的字。配书代码有一个小小的BUG，就是在匹配之后，没有跳出到外循环，而是和内核符号表的下一个条目再次比较了。后文会仔细分析这个问题。
外循环的代码
先来看看外循环：
486 .b2:
487 push ecx ;初始值为用户程序的符号数目，每次外循环都减一
488 push edi
512 .b5: pop edi ;.b5这个标号是我自己加的，后面会讲到
513 add edi,256 ;指向用户符号表的下一个条目
514 pop ecx
515 loop .b2487~488:因为内循环也要用到ECX和EDI，所以进入内循环前先把它们压栈保存；
513：EDI加上256，于是指向上图中U-SALT表格的下一个条目；
对于外循环ES:EDI指向的这个条目，在内循环中要把它和内核符号表的所有条目进行比较（最坏的情况）。
内循环的代码
490 mov ecx,salt_items ;内核符号总数目
491 mov esi,salt ;指向内核的第一个符号
492 .b3:
493 push edi
494 push esi
495 push ecx
;这里放置实际进行对比的代码
506 pop ecx
507 pop esi
508 add esi,salt_item_len ;指向内核符号表的下一个条目
509 pop edi
510 loop .b3490~491：每次从外循环进入内循环的时候，都要初始化内循环的对比次数（=内核符号总数目），并且重新让ESI指向内核符号表（C-SALT）的起始。这相当于内循环的初始化，可以想象成C语言中for语句
for(ecx = salt_items,esi = salt; ...; ...)493~495：因为在实际对比的时候，会改变ESI,EDI,ECX的值，所以要在实际对比之前把这些寄存器压栈保存。
506~509：恢复上述压栈的寄存器，并且增加ESI的值，使其指向内核符号表的下一个条目。
对比的核心代码
我们再看一下对比的核心代码：
497 mov ecx,64 ;检索表中，每条目的比较次数
498 repe cmpsd ;每次比较4字节
499 jnz .b4 ;ZF=0表示不匹配，则跳转
500 mov eax,[esi] ;若匹配，esi恰好指向其后的地址数据
501 mov [es:edi-256],eax ;将字符串改写成偏移地址
502 mov ax,[esi+4]
503 mov [es:edi-252],ax ;以及段选择子
504 .b4:
505 每当执行到这里，DS:ESI和ES:EDI都分别指向内核符号表和用户符号表中的某个条目。
497：因为一个符号占用256字节，我们用的是cmpsd指令，所以最多需要比较256/4=64次，于是向ECX传入64；
498：如果相等就继续比较；停止条件是(ECX==0) || (ZF==0)，也就是ECX为0或者发现了不相等就停止比较。
499：假如比较发现了不相等，于是ZF=0；假如字符串是相等的，那么会重复比较64次，最后ZF=1;所以ZF=0说明不匹配，反之匹配。
如果不匹配，就跳转到.b4标号处。其实就是跳到内循环的506行。
506:恢复ECX的值，这个值表示还剩多少次内循环（对于某个用户符号，还剩多少个内核符号要和它比较）；
509：恢复EDI的值，也就是让EDI再次指向当前用户符号的起始。
500~501：如果匹配，那么这时候ESI刚好指向了内核某匹配上的符号（总共256字节）的末尾，后面就是4字节的偏移地址和2字节的段选择子。将偏移地址回填到某用户符号的开始处；
502~503：将段选择子回填到偏移地址的后面，于是这个段选择子就和前面的偏移地址组成了例程的入口。到时候用户程序就能利用这个入口，来个华丽的远调用或者远跳转。
这个代码说到这里就结束了吗？No,No.前文提到过，这里是有个小问题的。在500~503执行完后，应该怎么办？既然匹配成功了，该填的也填了，那么就应该让EDI指向下一个符号，让ESI指向内核符号表的起始，也就是说跳出内循环，进入下一轮外循环（跳到512行开始执行，相当于C语言中的break）。但是还牵扯到一个问题，在跳转到512行之前，我们应该使栈平衡。因为在493~495压入了三个寄存器，然后进行实际的比较，比较之后，也应该弹出这三个寄存器。
所以505行应该插入一段代码：
pop ecx
pop esi
pop edi
jmp .b5 ;跳转到512行其实这几行代码中，寄存器ECX,ESI,EDI里面的值是不重要的。
因为在514行，ECX会获得合适的值；
在512~513行，EDI会获得合适的值；
在491行，ESI会获得合适的值；
所以上面的补丁可以修改为：
add esp,12 ;使栈平衡
jmp .b5 ;跳转到512行这样就简洁多了。
可能有的读者不太相信，觉得配书源码不应该有问题，是不是我搞错了。这没有关系，我会在后面的博文中证明这确实是一个BUG。“实践出真知。”
好了，这篇博文就说到这里。下次我们讲用户程序的执行。
【end】