不使用全局函數如何編寫線程類

原創 计算机科学家的世界 2018-09-04 03:14
        以下討論內容僅限於Window系統和X86硬件架構。

        從彙編角度看程序，只能看到mov，sub，div，xcmpchg等指令，函數，結構體，指針，數組等中級編程語言中的語法糖均不存在，至於C++，Java等高級語言中的對象，類，虛函數等更是不復存在，那麼我們在高級語言中建議的語法糖在哪呢，它們是怎麼被轉化到彙編的呢？......

1，彙編之於函數調用
        先看以下函數調用代碼
int func(int x, int y){
return x + y;
}

int main(){
int a = 10, b = 100;
int c = func(a, b);
}
        在這上代碼中，我們調用了func，參數是a(10)，b(100)，返回值存放在c中，現在問題來了，參數a，b是怎麼傳進來的，函數返回值是怎麼返回的呢？在Visual Studio中我們使用cl -c -FA x.c（假設代碼文件爲x.c）命令來彙編以上代碼，輸出的即是以上代碼對應的彙編信息：
; Listing generated by Microsoft (R) Optimizing Compiler Version 18.00.40629.0 

TITLE E:\tmp\x.c
.686P
.XMM
include listing.inc
.model flat

INCLUDELIB LIBCMT
INCLUDELIB OLDNAMES

PUBLIC _func
PUBLIC _main
; Function compile flags: /Odtp
_TEXT SEGMENT
_c$ = -12 ; size = 4
_a$ = -8 ; size = 4
_b$ = -4 ; size = 4
_main PROC
; File e:\tmp\x.c
; Line 6
push ebp
mov ebp, esp
sub esp, 12 ; 0000000cH
; Line 7
mov DWORD PTR _a$[ebp], 10 ; 0000000aH
mov DWORD PTR _b$[ebp], 100 ; 00000064H
; Line 8
mov eax, DWORD PTR _b$[ebp]
push eax
mov ecx, DWORD PTR _a$[ebp]
push ecx
call _func
add esp, 8
mov DWORD PTR _c$[ebp], eax
; Line 9
xor eax, eax
mov esp, ebp
pop ebp
ret 0
_main ENDP
_TEXT ENDS
; Function compile flags: /Odtp
_TEXT SEGMENT
_x$ = 8 ; size = 4
_y$ = 12 ; size = 4
_func PROC
; File e:\tmp\x.c
; Line 2
push ebp
mov ebp, esp
; Line 3
mov eax, DWORD PTR _x$[ebp]
add eax, DWORD PTR _y$[ebp]
; Line 4
pop ebp
ret 0
_func ENDP
_TEXT ENDS
END
        從以上彙編代碼中可以看出，調用函數時，默認情況下參數從右到左入棧，同時，函數返回值存放在eax中，我們可以使用以下代碼測試：（在VS上輸出110）
int func(int x, int y){
        return x + y;
}

int main(){
        int a = 10, b = 100, c;
        int (*fptr)(int,int) =func;
        __asm{
                push b       //b入stack
                push a       //a入stack
                call fptr      //jmp到func
                mov c, eax //eax是返回值，用c存儲
                add esp, 8 //平衡stack
        } 
        printf("%d\n",c);
}
        以上彙編代碼和實際測試代碼表明在Win32上，函數調用是使用eax作返回值的，現在問題來了，如果需要返回的對象特別大，超過4個字節（eax大小爲4字節，rax爲8），那怎麼處理呢？在這種情況下，主調函數會在堆棧上多分配一塊內存，然後被調函數將返回值存放在這塊內存中，最後返回這塊內存的首地址---放在eax中。我們使用以下代碼作測試：


typedef struct Record{
        int ary[100];
        int x;
}Record;

Record func(){
        Record rc;
        rc.x = 100;
        return rc;
}

int main(){
        Record r = func();
        printf("%d", r.x);
}
將文件存爲x.c，然後使用cl -c -FA x.c彙編代碼，將會生成x.asm，打開之後內容如下：
; Listing generated by Microsoft (R) Optimizing Compiler Version 18.00.40629.0 

TITLE E:\tmp\x.c
.686P
.XMM
include listing.inc
.model flat

INCLUDELIB LIBCMT
INCLUDELIB OLDNAMES

_DATA SEGMENT
$SG1335 DB '%d', 00H
_DATA ENDS
PUBLIC _func
PUBLIC _main
EXTRN _printf:PROC
EXTRN @__security_check_cookie@4:PROC
EXTRN ___security_cookie:DWORD
; Function compile flags: /Odtp
_TEXT SEGMENT
$T1 = -812 ; size = 404
_r$ = -408 ; size = 404
__$ArrayPad$ = -4 ; size = 4
_main PROC
; File e:\tmp\x.c
; Line 14
push ebp
mov ebp, esp
sub esp, 812 ; 0000032cH
mov eax, DWORD PTR ___security_cookie
xor eax, ebp
mov DWORD PTR __$ArrayPad$[ebp], eax
push esi
push edi
; Line 15
lea eax, DWORD PTR $T1[ebp]
push eax
call _func
add esp, 4
mov ecx, 101 ; 00000065H
mov esi, eax
lea edi, DWORD PTR _r$[ebp]
rep movsd
; Line 16
mov ecx, DWORD PTR _r$[ebp+400]
push ecx
push OFFSET $SG1335
call _printf
add esp, 8
; Line 17
xor eax, eax
pop edi
pop esi
mov ecx, DWORD PTR __$ArrayPad$[ebp]
xor ecx, ebp
call @__security_check_cookie@4
mov esp, ebp
pop ebp
ret 0
_main ENDP
_TEXT ENDS
; Function compile flags: /Odtp
_TEXT SEGMENT
_rc$ = -408 ; size = 404
__$ArrayPad$ = -4 ; size = 4
$T1 = 8 ; size = 4
_func PROC
; File e:\tmp\x.c
; Line 8
push ebp
mov ebp, esp
sub esp, 408 ; 00000198H
mov eax, DWORD PTR ___security_cookie
xor eax, ebp
mov DWORD PTR __$ArrayPad$[ebp], eax
push esi
push edi
; Line 10
mov DWORD PTR _rc$[ebp+400], 100 ; 00000064H
; Line 11
mov ecx, 101 ; 00000065H
lea esi, DWORD PTR _rc$[ebp]
mov edi, DWORD PTR $T1[ebp]
rep movsd
mov eax, DWORD PTR $T1[ebp]
; Line 12
pop edi
pop esi
mov ecx, DWORD PTR __$ArrayPad$[ebp]
xor ecx, ebp
call @__security_check_cookie@4
mov esp, ebp
pop ebp
ret 0
_func ENDP
_TEXT ENDS
END
        在x.asm中，有三塊被標紅，第一塊是一條棧分配指令sub esp，這條指令用於存放兩個record結構體，可能有人要問，我明明在main裏面只定義了一個Record對象，爲什麼main函數要在棧上分配這麼大一塊內存，其實之前也已經說明了，在函數調用過程中，eax往往用來保存函數返回值，但是，如果返回值過大，主調函數就會在進入被調函數之前，在自己的棧上挖出一塊內存，被調函數將待返回的對象寫入這塊地址，然後使用eax返回這個塊內存的地址。在x.asm中，最後一塊標紅的彙編代碼就是被調函數(func）將待返回的對象寫入main所在的棧上預分配好的一塊內存（ecx是循環計數器，101就是表明要複製101個int，而Record剛好就是這麼大）。第二塊標紅的彙編代碼就是將func返回的對象首地址的內容複製到r。爲了驗證以上猜想，我們可以使用以下代碼驗證：(代碼毫無疑問肯定輸出100）


typedef struct Record{
        int ary[100];
        int x;
}Record;

Record func(){
        Record rc;
        rc.x = 100;
        return rc;
}

int main(){
        Record* r;   
        func();                 //調用函數
        __asm{        
                mov r, eax  //返回值就是func中返回的對象的首地址，在此取出
        }
        printf("%d", r->x);
}
        以上討論我們明白了函數調用過程中，返回值的傳遞與保存過程，以下再看面向對象中類的成員函數調用過程。

2，面向對象程序設計中成員函數調用過程與原理
        面向對象程序設計中，我們經常使用類，而事實上，面向對象的三大特性就是封裝、繼承、多態，虛函數的使用極大方便程序的編寫，麻煩了程序的調試（面向對象程序比C語言程序難調）。在這一節，將主要討論類的成員函數調用過程，上一節中主要討論了普通函數的調用（從語義上講，類的靜態函數就是外部普通函數），與普通函數比，類的成員函數多了一個this指針（有的語言稱爲self），先以以下代碼爲例子：

class CK{
public:
        CK(){
                m_iVal = 10;
        }
public:
        void Show(){
                m_iVal += 10;
        }
private:
        int m_iVal;
};


int main(){
        CK obj;
        obj.Show();
}
使用cl -FA -c x.cpp彙編以上代碼，得到x.asm，內容如下：
; Listing generated by Microsoft (R) Optimizing Compiler Version 18.00.40629.0 

TITLE E:\tmp\x.cpp
.686P
.XMM
include listing.inc
.model flat

INCLUDELIB LIBCMT
INCLUDELIB OLDNAMES

PUBLIC ??0CK@@QAE@XZ ; CK::CK
PUBLIC ?Show@CK@@QAEXXZ ; CK::Show
PUBLIC _main
; Function compile flags: /Odtp
_TEXT SEGMENT
_obj$ = -4 ; size = 4
_main PROC
; File e:\tmp\x.cpp
; Line 16
push ebp
mov ebp, esp
push ecx
; Line 17
lea ecx, DWORD PTR _obj$[ebp]
call ??0CK@@QAE@XZ ; CK::CK
; Line 18
lea ecx, DWORD PTR _obj$[ebp]
call ?Show@CK@@QAEXXZ ; CK::Show
; Line 19
xor eax, eax
mov esp, ebp
pop ebp
ret 0
_main ENDP
_TEXT ENDS
; Function compile flags: /Odtp
; COMDAT ?Show@CK@@QAEXXZ
_TEXT SEGMENT
_this$ = -4 ; size = 4
?Show@CK@@QAEXXZ PROC ; CK::Show, COMDAT
; _this$ = ecx
; File e:\tmp\x.cpp
; Line 8
push ebp
mov ebp, esp
push ecx
mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx
; Line 9
mov eax, DWORD PTR _this$[ebp]
mov ecx, DWORD PTR [eax]
add ecx, 10 ; 0000000aH
mov edx, DWORD PTR _this$[ebp]
mov DWORD PTR [edx], ecx
; Line 10
mov esp, ebp
pop ebp
ret 0
?Show@CK@@QAEXXZ ENDP ; CK::Show
_TEXT ENDS
; Function compile flags: /Odtp
; COMDAT ??0CK@@QAE@XZ
_TEXT SEGMENT
_this$ = -4 ; size = 4
??0CK@@QAE@XZ PROC ; CK::CK, COMDAT
; _this$ = ecx
; File e:\tmp\x.cpp
; Line 4
push ebp
mov ebp, esp
push ecx
mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx
; Line 5
mov eax, DWORD PTR _this$[ebp]
mov DWORD PTR [eax], 10 ; 0000000aH
; Line 6
mov eax, DWORD PTR _this$[ebp]
mov esp, ebp
pop ebp
ret 0
??0CK@@QAE@XZ ENDP ; CK::CK
_TEXT ENDS
END
        以上代碼中有三塊標紅，第一塊是調用CK的構造，第二塊是調用Show，第三塊是Show的部分彙編代碼，在調用Show之前，可以看到一個lea  ecx, DWORD PTR _obj$[ebp]，lea是X86中的取址指令，這條指令的意思是取對象的地址（this指針），在Show的彙編代碼中，把ecx取出來，再基於ecx取對象的m_iVal值，以上一些彙編代碼給人一種類的成員函數調用與普通成員函數調用完全一樣，只是使用ecx傳遞this指針的感覺，事實上這種感覺是對的。我們使用以下代碼去驗證：
#include <stdio.h>
class Base{
public:
        virtual void Show(int x, int y) = 0;
};

class Derived: public Base{
public:
        Derived(){
                m_iValue = 10;
        }
public:
        virtual void Show(int x, int y){
                printf("%d", x + y + m_iValue);
        }
private:
        int m_iValue;
};

int main(){
        Derived * obj = new Derived;
        auto pMemFunc =&Derived::Show;
        __asm{
                mov ecx, obj       //傳遞this
                push 10              //y
                push 100           //x
                call pMemFunc;  //調用成員函數
                //  add esp, 8         //平衡stack，並不需要。因爲類的成員函數是__thiscall方式，會自己解決參數造成的堆棧不平衡
        }
}
3，構造自己的線程類
        線程是操作系統中重要的概念，是操作系統中可以異步執行的執行體，在Win32中，如果要創建一個線程，我們需要使用CreateThread或者__beginthreadex等API，這些API有個特點，即需要傳遞一個非類成員函數（靜態函數或普通C函數），在公司的AngelicaES引擎中，線程的創建使用的就是全局靜態函數，然而，在Java中，創建線程只需要一個Thread對象或一個Thread對象加一個實現了Runable的接口，在Java中，使用線程，往往構造一個Thread對象，然後調用Start函數，線程就起來了，並沒有我們看到的全局函數或者靜態成員函數，那麼Java等高級語言是怎麼實現的呢？在前兩節中，已經講清楚了普通函數調用和類的成員函數調用的過程與原理，事實上，只需要使用這個原理就可以實現一個類似Java的線程函數（不使用任何全局函數或static函數)，如果想將一個類的成員函數作爲線程函數來執行，在語法層次我們無法逃脫this指針的束縛。但是，事實上，我們可以編寫一段奇怪的二進制指令（可直接執行的機器碼），在字節碼裏面設置好this指針等信息並跳轉到類的成員函數中去，最後將這段字節碼作爲線程函數去執行（強制轉換成CreateThread需要的線程函數類型），但是，我們並沒有使用使用全局函數或static函數，先看以下一段字節碼：

const static unsigned char g_thread_proc[]= { 
       //------------parameter----------------- 
       0x8B,0x44,0x24,0x04, // mov eax,dword ptr [esp+10h] 
        0x50, // push eax 

        //-----------this pointer------------- 
        0xB9,0x00,0x00,0x00,0x00, // mov ecx,0x12FF5C 

         //-----------call back function------------- 
        0xB8,0x00,0x00,0x00,0x00, // mov eax,0 
        0xFF,0xD0, // call eax 

       //return 
       0xC2,0x10,0x00 // ret 10h 
};
         在以上一段字節碼中，我們會設置好this指針和真正的線程函數地址，然後使用call跳轉過去，所有的代碼如下所示：
//core.h
#ifndef __ZX_CORE_H__
#define __ZX_CORE_H__
#include <windows.h>

#ifndef interface
#define interface struct
#endif

#ifndef implement
#define implement :public
#endif

const static unsigned char g_thread_proc[]={
        //------------parameter-----------------
        0x8B,0x44,0x24,0x04, // mov eax,dword ptr [esp+10h] 
        0x50, // push eax 

       //-----------this pointer-------------
       0xB9,0x00,0x00,0x00,0x00, // mov ecx,0x12FF5C 

       //-----------call back function-------------
       0xB8,0x00,0x00,0x00,0x00, // mov eax,0 
       0xFF,0xD0, // call eax

       //return
       0xC2,0x10,0x00 // ret 10h 
};


#endif
//runnable.h

#ifndef __ZX_RUNNABLE_H__
#define __ZX_RUNNABLE_H__
#include "core.h"
interface ZXRunnable{
        virtual void run(void* lpParameter)= 0;
};
#endif
//thread.h
#ifndef __ZX_THREAD_H__
#define __ZX_THREAD_H__
#include "core.h"
#include "runnable.h"

class ZXThread{
public:
        ZXThread();
        ZXThread(ZXRunnable* runnable);
        virtual ~ZXThread();
public:
        void Start();
        void Wait();
        void SetRunnable(ZXRunnable* runnable);
        ZXRunnable* GetRunnable();
private:
        ZXRunnable* m_pRunnable;
        HANDLE m_hThread;
        unsigned char m_thread_proc[sizeof(g_thread_proc)];
};



#endif


//thread.cpp
#include "thread.h"

ZXThread::ZXThread(): m_pRunnable(NULL), m_hThread(NULL) { }

ZXThread::ZXThread(ZXRunnable* runnable): m_pRunnable(runnable), m_hThread(NULL){}

ZXThread::~ZXThread(){
        delete m_pRunnable;
}

void ZXThread::SetRunnable(ZXRunnable* runnable){
         m_pRunnable= runnable;
}


ZXRunnable* ZXThread::GetRunnable(){
        return(m_pRunnable);
}


void ZXThread::Start(){
        CopyMemory(m_thread_proc, g_thread_proc, sizeof(g_thread_proc));
        *(int*)(&m_thread_proc[6])= (int)m_pRunnable;
        void (ZXRunnable::*func)(void* lpParameter)= &ZXRunnable::run;
        int addr;
        __asm{
                mov eax, func
                mov addr, eax
       }
       *(int*)(&m_thread_proc[11])= addr;
       m_hThread= ::CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)(void*)m_thread_proc, 
                                        NULL, 0, NULL);
}


void ZXThread::Wait(){
        ::WaitForSingleObject(m_hThread, INFINITE);
}

測試代碼：
#include <iostream>
#include "thread.h"
using namespace std;

class ZXRun implement ZXRunnable{
public:
        virtual void run(void* lpParameter){
                cout<<"Hello,World!"<<endl;
        }
};

int main(){
        ZXThread boss(new ZXRun);
        boss.Start();
        boss.Wait();
}
        mark：直接運行以上程序會崩潰，因爲DEP，解決方法有兩種：1）在編譯器裏面關掉DEP；2）最靠譜的作法是使用VirtualProtect將ZXThread中的m_thread_proc對應的內存塊設置爲可執行即可。（緩衝區溢出攻擊經常使用m_thread_proc字節碼的手段）。


4，總結
        上面實際給出瞭解決一類難題的思路，即如果某個地方需要一個全局的函數（或類的static函數）---Thunk技術，而我們想要完全面向對象（即我們不想使用全局函數或非static類函數），解決方法就是使用機器碼，在機器碼內完全跳轉（Thunk技術---跟Knuth有點像，以前看過國內一位大牛僅使用4個字節就實現封裝Windows窗口消息函數的代碼，而只要百度那4個字節，就可以搜索出那位牛人，貌似是金山的一位大牛，佩服）。

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