gcc指定-fPIC编译的时候内嵌汇编需要注意的问题

放假前遇到一个bug，放假的时候，简单分析了一下

【问题】

程序中需要读取cpuid，我用下面的代码来判定cpu的id是否存在而且可读，显然这里内嵌汇编是必然的。（由于这个blog无法输出反斜线，所以下面的代码中去掉了换行符号，直接copy是不能执行的）

    // if we can change the value of bit21 in EFLAGS register,
    // the CPUID instruction is executable
    asm("    pushfl"
        "    pop %%eax"            // get EFLAGS into eax
        "    movl %%eax, %%ebx"    // keep a copy
        "    xor $0x200000, %%eax" // toggle CPUID bit
        "    push %%eax"
        "    popfl"                // set new EFLAGS
        "    pushfl"
        "    pop %%eax"            // EFLAGS back into eax
        "    xor %%ebx, %%eax"     // have we changed the ID bit?
        "    je 1f"
        "    movl $1, %%eax"
        "    cpuid"                // get processor features
        "    test $0x40000, %%edx" // check the serial number bit
        "    jz 1f"                
        "    movl $1, %0"
        "    jmp 2f"
        "1:  movl $0, %0"
        "2:  popa"
        :"=m"(sn_present)::"eax", "ebx", "ecx", "edx");
    return sn_present;

这段代码在一个standalone的应用程序中是可以很好工作的，但是编译成动态库，通过jni调用的时候，却引发了异常，出现segmentation fault了。

【分析】

jni调用C++，要求用C++编写的代码是以动态链接库的形式给出的。所以编译这个库的时候我们需要指定-fPIC，也就是指定生成的代码是位置无关的(position independent code)。也许这就是问题所在。

在-fPIC情况下，编译器将把所有的绝对位移用相对于0地址的相对位移代替，然后在引用这些位移的时候用库的装载地址作为基址来寻址。

普通的可执行文件的跳转表，如下所示：

clkrst@ips ~/ipsdev/core/src/license $ objdump -j .plt -d computerid

computerid: file format elf32-i386

Disassembly of section .plt:

080489e8 <.plt>:
 80489e8:       ff 35 78 c2 04 08       pushl  0x804c278
 80489ee:       ff 25 7c c2 04 08       jmp    *0x804c27c
 80489f4:       00 00                   add    %al,(%eax)
 80489f6:       00 00                   add    %al,(%eax)
 80489f8:       ff 25 80 c2 04 08       jmp    *0x804c280
 80489fe:       68 00 00 00 00          push   $0x0
 8048a03:       e9 e0 ff ff ff          jmp    80489e8 <_init+0x18>
 8048a08:       ff 25 84 c2 04 08       jmp    *0x804c284          ----> [*]
 8048a0e:       68 08 00 00 00          push   $0x8
 8048a13:       e9 d0 ff ff ff          jmp    80489e8 <_init+0x18>
 8048a18:       ff 25 88 c2 04 08       jmp    *0x804c288          ----> [*]
 8048a1e:       68 10 00 00 00          push   $0x10
 8048a23:       e9 c0 ff ff ff          jmp    80489e8 <_init+0x18>
 8048a28:       ff 25 8c c2 04 08       jmp    *0x804c28c          ----> [*]

..............

标记*的地方就是跳转代码，可以看到这些地址是绝对地址。

再来看一下用-fPIC生成的位置无关代码的跳转表是什么样的

clkrst@ips ~/ipsdev/core/jni $ objdump -j .plt -d libtestjava.so

libtestjava.so: file format elf32-i386

Disassembly of section .plt:

000039d8 <.plt>:
    39d8:       ff b3 04 00 00 00       pushl  0x4(%ebx)
    39de:       ff a3 08 00 00 00       jmp    *0x8(%ebx)
    39e4:       00 00                   add    %al,(%eax)
    39e6:       00 00                   add    %al,(%eax)
    39e8:       ff a3 0c 00 00 00       jmp    *0xc(%ebx)
    39ee:       68 00 00 00 00          push   $0x0
    39f3:       e9 e0 ff ff ff          jmp    39d8 <_init+0x18>
    39f8:       ff a3 10 00 00 00       jmp    *0x10(%ebx)     ----> [*]
    39fe:       68 08 00 00 00          push   $0x8
    3a03:       e9 d0 ff ff ff          jmp    39d8 <_init+0x18>
    3a08:       ff a3 14 00 00 00       jmp    *0x14(%ebx)     ----> [*]
    3a0e:       68 10 00 00 00          push   $0x10
    3a13:       e9 c0 ff ff ff          jmp    39d8 <_init+0x18>
    3a18:       ff a3 18 00 00 00       jmp    *0x18(%ebx)     ----> [*]

..............

显然跳转的地址是用ebx作为基址的相对地址，注意这里使用的基址寄存器是ebx。ebx是在代码开始执行之前，根据加载地址设置好的。

这样我们再回过头来，分析我们的代码

" pop %%eax" // get EFLAGS into eax
" movl %%eax, %%ebx" // keep a copy
" xor $0x200000, %%eax" // toggle CPUID bit

显然在代码中我们破坏了ebx的值，而且没有恢复，那么后来的调用中，自然就导致了segmentation fault。
虽然我们在汇编代码的约束部里，指定了ebx是可能会被破坏的，但是gcc没有替我们生成相应的保存和恢复代码。

随之我在代码的前后加上了push %ebx和pop %ebx，就一切正常了。

【结论】
gcc在生成位置无关代码的时候，内部使用了ebx作为基址寄存器。如果不使用内嵌汇编，那么gcc自然会帮助你维持ebx的值始终有效。但是如果使用了内嵌汇编，gcc常常就有点力不从心了，所以这时候，一定要自己留意保存好ebx的值。

btw，gcc的内嵌汇编语法复杂很多，我想一定有办法可以通过指定约束来达到不破坏ebx的目的，但是显然顺手加上句push/pop更为简单了。呵呵。