在锈迹斑斑的情况下编写过多的Brainfuck编译器来学习汇编语言

嘿，你！你有没有想过成为一名CPU语者？我也是!。我是一名前台网络开发人员，但低级汇编代码和编译器一直让我着迷。我在学习这两个方面都拖延了很长一段时间，但在我最近染上了铁锈，并在很多在线铁锈社区闲逛后，它给了我很大的动力，让我潜入其中。Rustaceans使用奇特的词汇和缩略语，比如自动向量化、内联、对齐、填充、链接、自定义分配器、字符顺序、系统调用、LLVM、SIMD、ABI、TLS和我不能跟上讨论的内容，因为我不知道这些东西是什么。我所知道的就是它在某种程度上与低级汇编代码有些模糊的联系，所以我决定通过在Rust中编写太多的Brainfuck编译器来学习汇编语言。多少才算太多？四!。我的编译目标是x86、ARM、WebAssembly和LLVM。

本文的目标是让任何有一定编程经验的人都能轻松理解，即使他们以前从未写过一条汇编线。

那么为什么选择x86呢？X86不仅仅是ISA，它也是ISA。大多数服务器、台式PC、笔记本电脑和家用游戏机都使用x86 CPU。

为什么是ARM？ARM不仅仅是一个ISA，它也是另一个ISA。大多数手机、平板电脑、移动游戏机和微控制器都使用ARM CPU。此外，苹果还宣布，他们将在2021年将所有笔记本电脑和台式机从x86换成ARM处理器，这似乎是一件很大的事情。

为什么是WebAssembly？WebAssembly有可能成为Web的未来，也是整个容器应用程序的未来！Docker的创始人所罗门·海克斯(Solomon Hykes)在推特上写道，如果WASM+WASI在2008年就存在了，我们就不需要创建Docker了。这就是它的重要性。服务器上的WebAssembly是计算的未来。标准化的系统界面是缺失的一环。让我们希望瓦西能胜任这项任务！

为什么选择LLVM？LLVM，因为它可以编译为x86、ARM或WebAssembly。还因为许多现代的、成功的编程语言，如Rust和Swift，都编译成LLVM，而不是直接编译成汇编语言。

由于以上所有目标都有很多名字，下面是其别名的快速列表：

如果你想亲自尝试一下这篇文章中的代码，那么你就幸运了！本文附带了一个配套的代码库，其中包含有关如何运行它的所有代码和说明。接下来使用配套的代码库是完全可选的，不使用它也可以很容易地阅读文章。

矛盾的是，Brainfuck是最广为人知的深奥编程语言。它的名声很大程度上是因为它的名字中有他妈的这个词，但业余的编译器开发者喜欢它，因为它是一种很小的语言，使得编写编译器变得很容易。有趣的事实：人们编写的愚蠢的编译器比实际的愚蠢的程序还多。有趣的事实：我没有为之前的有趣事实做过任何研究，但这可能是真的。

Brainfuck程序有一个隐式指针，即指针，可以自由移动30K无符号字节数组，所有这些字节最初都设置为0。

让我们先写一个头脑简单的翻译器。我们将把Brainfuck程序解析为VEC<；Inst&>，其中Inst定义为：

每个Inst的第一个USIZE是它的游程编码。LoopStart和LoopEnd的第二个USIZE是Vec<；Inst&>内匹配的LoopEnd或LoopStart之后的指令索引。跟踪这些小小的附加信息将使我们能够实现更高效的解释器，并从我们的编译器生成更高效的汇编。

我们将跳过剩余的脑洞翻译器代码，因为它非常乏味。让我们进入有趣的部分，试着解读一些愚蠢的节目吧！

如果您正在使用配套的代码库，我们将用来解释Brainfuck程序的命令是Just Interprete{{name}}，其中{{name}}是./input目录中Brainfuck源文件的名称。

#prints&34；Hello world！"；>；只需解释Hello_world Hello World！#打印100>；以下斐波纳奇数；只需解释fibonacci1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89#使用rot13密码加密来自stdin的行&>只需解释rot13未加密的textharapelcgrq grkg。

更好的第一个问题是什么是ISA？ISA代表指令集体系结构。ISA是CPU可以实现的接口。目前最流行的ISA是x86_64和aarch64。如果我们使用x86_64指令编写代码，那么任何实现x86_64 ISA的CPU都将能够运行该代码。那么，装配和ISA是一回事吗？嗯，不完全是。简而言之，汇编是汇编器理解的任何语法。汇编器是一种实用程序，它允许人们以更友好的方式编写机器代码，比如使用注释、空格和机器指令的符号名称。因此，汇编是汇编者提供的ISA之上的一层薄薄的抽象层。我们将用来汇编所有x86_64和aarch64程序的汇编程序将是GNU汇编程序，通常缩写为GAS。我们将使用英特尔语法，而不是x86_64汇编的默认AT&；T语法，因为它更接近于aarch64汇编的ARM语法，这使得在两者之间切换不那么不协调。如果最后一句话对你没有任何意义，不要担心你有很好的同伴。此外，我们将在Linux环境中执行所有编译后的二进制文件，因此必要时我们将在汇编程序中直接调用Linux系统。

X86_64是基于寄存器的ISA。寄存器是一个容器，我们可以在其中存储数据。我们也可以在RAM中存储数据，但是RAM离CPU非常远，而寄存器直接在CPU中，是CPU完成所有实际工作的地方。X86_64中的所有指令都以某种方式直接或间接地在寄存器上操作。有许多不同类型的寄存器：一些存储整数，一些存储浮点数，一些存储整数向量，一些是通用的，有些是专用的，有些我们可以直接修改，而另一些我们只能间接修改(作为某些指令的副产品)。就本文而言，我们将使用的唯一寄存器是RAX、RDI、RSI、RDX和R12，它们都存储64位整数。

MOV将某些内容从<；src&>；移动到<；目标&>，其中<；src&>可以是文字值、寄存器或内存地址，而<；目标&>可以是寄存器或内存地址。

Mov rax，5#在rax mov rsi中存储5，rdi#将RDI中的值复制到rsi mov[r12]，15#在r12中的内存地址存储15。

最后一条指令实际上是非法的，因为它是模棱两可的。在前两个例子中，很明显我们使用的是64位整数，因为我们使用64位寄存器作为操作数，然而在最后一个例子中，我们试图将值15存储在R12的内存地址中，但是值有多大呢？它占用1、2、4或8个字节吗？毕竟，我们需要知道要向内存写入多少字节。我们可以通过在歧义指令后面加上b(字节)、w(字，2字节)、l(长字，4字节)或q(四字，8字节)来清除歧义。因此，我们可以通过以下任意几种方式修复最后一条指令：

Movb[r12]，15#将15作为1个字节写入r12 movw[r12]中的存储器地址，15#将15作为2个字节写入r12 mov1[r12]中的存储器地址，15#将15作为4个字节写入r12 movq[r12]中的存储器地址，15#将15作为8个字节写入R12中的存储器地址。

此外，尽管这一点可能已经很明显了，但如果我们想要取消引用存储在寄存器或标签中的内存地址，我们可以用方括号[]将其括起来。

Mov rax，r12#将值从r12复制到rax mov rax，[r12]#将值从存储在r12中的内存地址复制到rax。

添加<；DEST&>，<；src&>；#DEST<；-DEST+src子<；DEST&>，<；src&>#DEST<；-DEST-src

JMP<；Label&>；#无条件跳转到<；Label&>#下面的所有指令都是有条件的跳转，如果等于，则跳转到<；Label；#如果大于Jg；，则跳到<；Label&>；#如果不等于，则跳转到<；Label&>；#如果大于Jg；，则跳转到<；Label&>；#如果不等于Jg；，则跳转到<；Label；#如果大于Jg；，则跳转到<；Label&>；#如果不等于，则跳转到<；Label&>；#如果大于Jg；，则跳到<；Label&>。LABEL&>；#如果小于，则跳至<；LABEL&>；#如果小于或等于，则跳至<；LABEL&>；

Mov rax，5#在rax中存储5 mov r12，10#在r12中存储10添加rax，r12#rax<；-rax+r12=15 cmp rax，r12#在r标志中设置标志jge rax_is_sierger#读标志，跳转到rax_is_ger r12_is_ger：#一些指令JMP end rax_is_igger：#一些其他指令结束：#更多指令。

关于如何在函数调用之前、期间和之后为调用方和被调用方使用寄存器的规则称为调用约定。所谓惯例的问题在于，似乎每个人和他们的祖母都有一个。编译成汇编语言的ISA、操作系统和编程语言可以各自定义自己不同的调用约定。幸运的是，我们不可能用Brainfuck定义函数，所以在本文中我们不必深入任何调用约定的细节。

要进行系统调用，我们在设置了RX中的系统调用号以及RDI、RSI和RDX寄存器中的系统调用参数之后，使用syscall指令。

#直接Linux系统调用mov rax，60#系统调用退出(Code)mov RDI，0#退出代码，0成功syscall#进行系统调用mov rax，0#系统调用读取(fd，buf_adr，buf_len)mov RDI，0#stdin mov RSI文件描述符，1234#指向某个缓冲区mov RDX的内存地址，1#Buffer'；S长度(字节)syscall#make system call#syscall返回rax mov rax中读取的字节数，1#用于写入的syscall number(fd，buf_adr，buf_len)mov RDI，1#stdout mov RSI的文件描述符，1234#某个缓冲区mov RDX的内存地址，1#Buffer的字节长度syscall#make system call#syscall返回写入rav RDX的字节数。

我们现在知道一些x86_64指令，实际上足以编写一个脑洞大开的编译器，但我们还没有把一个完整的程序组合在一起。这就是汇编器的用武之地。如上所述，我们将对所有x86_64代码使用GNU汇编器。让我们来看看一个刚刚退出的简单x86_64程序。

#./Examples/x86_64/exit.s#GNU汇编程序，英特尔语法，x86_64 Linux.Data.equsys_exit，60.equexit_code，0.text.global_start：#exit(Code)mov rax，sys_exit mov RDI，exit_code syscall。

以点为前缀的单词。称为汇编器指令，它们指导汇编器如何汇编我们的程序集。

以冒号：为后缀的单词是标签，它们可以指向数据或指令。_start标签指向我们程序的第一条指令。

.global<；Label>；意味着使链接器可见。链接器是一个将汇编器的汇编输出转换为实际可执行程序的程序，它需要知道我们的程序从哪里开始，因此有_start标签。

为了让我们的程序更令人兴奋，让我们从标准输入中读取一个字符，如果它是小写的，我们会将其设置为大写，如果它是大写的，我们会将其设置为小写，然后我们会将切换后的大小写字符写入标准输出。

#./Examples/x86_64/Switch_Case.s#GNU汇编程序，英特尔语法，x86_64 Linux.Data#exit(Code).equsys_exit，60.equexit_code，0#WRITE(FD，buf_adr，buf_len).equsys_WRITE，1.equSTDOUT，1#read(fd，buf_adr，buf_len).equsys_read，0.equSTDIN，.eQu ASCII_A，97#快速ASCII刷新器：#65-91='；A'；-'；Z'；#97-123='；A'；-'；Z'；#例如#'；A'；+32='；A'；A'；-32='；A'；.eque case_diff，32#内存中的单字节字符：.byte 0.text.global_start_start：#read(STDIN，CHAR，1)mov rax，SYS_read mov RDI，STDIN mov RSI，Offset Char mov RDX，1 syscall CMPB[char]，ASCII_A#如果char处的字节为小写JGE make_upercase#，则将其设置为大写Make_Low ercase。Case_diff#字符写入时的大写字节：#WRITE BYTE to stdout#WRITE(STDOUT，CHAR，1)mov rax，SYS_WRITE mov RDI，STDOUT mov RSI，Offset Char mov RDX，1 syscall#exit(Exit_Code)mov rax，syscall_exit mov RDI，exit_code syscall。

.byte允许我们通过编写逗号分隔的整数文字列表来定义字节数组。在上面的程序中，我们只需要1个字节。

默认情况下，gas取消引用标签，因此mov rsi，char会将值0复制到rsi中。然而，我们不想复制CHAR的值，但是我们想复制CHAR本身的文字值，即它的内存地址。我们可以使用OFFSET关键字来实现这一点，这是我们在mov RSI，Offset Char中所做的。

如果您正在使用配套的代码库，我们将用来编译和运行x86_64示例程序的命令只有carx{{name}}，其中{{name}}是./Examples/x86_64目录中的x86_64源文件的名称。

#从stdin读取字符，切换大小写，打印到stdout&>只有carx switch_CaseaAExit代码：0>；只有carx switch_CaseAaExit代码：0

好的，首先，我们需要一个30K字节的零初始化数组。根据我们在上一节中学到的内容，我们可以使用我们的编译器生成以下代码：

然而，即使对于一个由编译器生成的解决方案，它看起来也相当愚蠢。幸运的是，对于我们来说，有一种更简单的方式来定义大量零初始化数据：

.bss类似于.data，因为我们在它下面定义数据项，但主要的区别是我们不初始化数据项，我们只声明它们的大小，并且它们会自动为我们零初始化。(=。.lcomm数组，30000表示，"；使符号数组指向30K字节的零初始化数组。"；

我们必须做出的最后一个小决定是，我们将使用哪个寄存器来存储数组指针。有很多可供选择的，但让我们使用R12，因为它是一个通用的被调用者保存的寄存器，这意味着如果我们进行任何函数或系统调用，我们保证这些调用不会覆盖R12。

现在，我们可以为任何编译的Brainfuck程序生成页眉和页脚模板：

#标题样板#GNU汇编程序，英特尔语法，x86_64 Linux.Data.equsys_exit，60.equSuccess，9.equSYS_WRITE，1.equSTDOUT，1.equsys_read，0.equSTDIN，0.bss.lcomm数组，30000.text.global_start_start：MOV r12，Offset ARRAY###实际编译的Brainfuck程序位于此处###页脚样板#mov rax，sys_exit mov rdi，成功系统调用。

现在，让将Brainfuck命令映射到x86_64指令。我们还应该考虑如何将多个重复命令合并为单条指令。

#递增数组指针#>；add r12，1#>；>；add r12，2#递减数组指针#<；subR12，1#；<；subR12，2#递增指针#+addb[r12]，1#++addb[r12]，2#递减字节#-subb[r12]，1#-subb[r12]，2#从stdin&读取字节。存储在指针#、mov rax、sys_read mov RDI、STDIN mov RSI、r12 mov RDX、1 syscall#、、mov rax、sys_read mov RDI、stdin mov RSI、r12 mov RDX、1 syscall mov rax、sys_read mov RDI、STDIN mov RSI、r12 mov RDX、1 syscall#在指向标准输出的指针处写入字节。MOV RAX、SYS_WRITE MOV RDI、STDOUT MOV RSI、R12 MOV RDX、1系统调用#.。MOV RAX、SYS_WRITE MOV RDI、STDOUT mov RSI、R12 mov RDX、1 syscall mov rax、SYS_WRITE mov RDI、STDOUT mov RSI、R12 mov RDX、1 syscall

不幸的是，没有简单的方法来合并多个，或者。命令生成的指令比执行单个或更少的指令要少。因为我们为系统调用设置的寄存器可能会被系统调用过程覆盖，所以我们必须在每次调用之前重新设置寄存器。

为匹配循环生成匹配标签是我们在解析器中已经解决的问题。为了检查最简单的情况，我们的解析器将像这样解析下面的Brainfuck程序[-]：

[LoopStart(1，3)，//index 0，Goto 3 DecByte(1)//index 1 LoopEnd(1，1)，//index 2，Goto 1]。

在我们的VEC<；Inst>；中使用LoopStart(n，goto)及其索引，我们可以生成以下标签：

在我们的Vec<；Inst>；中使用LoopEnd(n，goto)及其索引，我们可以生成以下标签：

多个堆叠循环很有趣，因为它与单个循环没有什么不同。如果当前字节为零，则不管我们有多少个字节[我们连续有多少个字节，因为它会跳过所有字节到达最外层的匹配项]。此外，如果当前字节不是零，那么它与我们连续有多少个字节无关，因为它会跳回到最里面的匹配。我们的解析器处理确定要进行哪些跳转的繁重工作，因此无论源代码中有多少堆叠循环，我们的标签生成方案都保持不变。

如果您正在使用配套的代码库，我们将用来将Brainfuck程序编译成x86_64并运行它们的命令只有carx{{name}}，其中{{name}}是./input目录中Brainfuck源文件的名称。

#print&34；Hello world！"；>；Just Carx Hello_WorldHello World！#打印小于100的斐波纳奇数1，1，2，3，5，8，13，21，34，55，89#使用rot13密码加密stdin中的行；只打印Carxrot13未加密的textharapelcgrq grkg

一切都按预期进行。我很好奇编译后的程序比解释器快多少，所以我会运行一个非常不科学和非正式的基准测试，方法是计算解释最耗费CPU的Brainfuck程序需要多长时间。/input/mandelbrot.b对比x86_64编译版本执行需要多长时间。

>；Just Benchmark mandelbrot#程序输出被省略#解释的mandelbrot.b4.95s用户0.01s系统99%cpu 4.960总计#x86_64编译的mandelbrot.breal 0m1.214s用户0m1.149ssys 0m0.041s。

哇，还不错！我们的编译版本运行速度是解释版本的4倍以上。在我看来，这是一个令人印象深刻的改进，考虑到脑筋急转弯的程序是多么简单，我们只是在单个数组中移动一个指针，并增加或减少一些字节。

与x86_64一样，aarch64也是基于寄存器的ISA。对于我们的示例和我们的编译器x0、x1、x2、x8、x19和x20，我们将使用以下64位寄存器。

MOV将某些内容从<；src&>；移动到<；est&>；，其中<；src&>可以是文字值或寄存器，<；目标&>可以是寄存器。您可能已经注意到，与x86_64版本的mov不同，aarch64版本的mov不能直接在内存上操作。这不仅适用于mov指令，而且通常适用于所有aarch64指令。唯一可以在内存上操作的aarch64指令是ldr和str，其中ldr将数据从内存加载到寄存器，而str将数据从寄存器存储到内存。例如，下面这条x86_64指令：

Addq[r12]，100//将存储在r12中内存地址的8字节整数加100。

LDR x20，[x19]//加载存储在。

.