13、Linux汇编框架与系统调用

1、课程目标

掌握Linux下的汇编编程框架
理解Linux系统调用机制
学会使用GAS和NASM语法
掌握位置无关代码编写

2、名词解释

术语	英文	说明
syscall	System Call	系统调用，用户态进入内核态
GAS	GNU Assembler	GNU汇编器，使用AT&T语法
NASM	Netwide Assembler	使用Intel语法的汇编器
ELF	Executable and Linkable Format	Linux可执行文件格式
PIC	Position Independent Code	位置无关代码

3、使用工具

工具	用途
nasm	NASM汇编器
as/gas	GNU汇编器
ld	GNU链接器
gcc	编译和链接
objdump	反汇编分析
strace	跟踪系统调用

4、技术原理

4.1、Linux x86 系统调用

寄存器	用途
EAX	系统调用号
EBX	第1参数
ECX	第2参数
EDX	第3参数
ESI	第4参数
EDI	第5参数
int 0x80	触发系统调用

4.2、Linux x64 系统调用

寄存器	用途
RAX	系统调用号
RDI	第1参数
RSI	第2参数
RDX	第3参数
R10	第4参数
R8	第5参数
R9	第6参数
syscall	触发系统调用

5、代码实现

5.1、示例1：NASM Hello World (x86)

; hello32.asm
; nasm -f elf32 hello32.asm
; ld -m elf_i386 -o hello32 hello32.o

section .data
    msg db "Hello, Linux!", 10   ; 10 = \n
    len equ $ - msg

section .text
    global _start

_start:
    ; write(1, msg, len)
    mov eax, 4          ; sys_write
    mov ebx, 1          ; stdout
    mov ecx, msg        ; buffer
    mov edx, len        ; length
    int 0x80            ; 系统调用
    
    ; exit(0)
    mov eax, 1          ; sys_exit
    xor ebx, ebx        ; 退出码 0
    int 0x80

5.2、示例2：NASM Hello World (x64)

; hello64.asm
; nasm -f elf64 hello64.asm
; ld -o hello64 hello64.o

section .data
    msg db "Hello, Linux x64!", 10
    len equ $ - msg

section .text
    global _start

_start:
    ; write(1, msg, len)
    mov rax, 1          ; sys_write
    mov rdi, 1          ; stdout
    lea rsi, [rel msg]  ; buffer (RIP相对)
    mov rdx, len        ; length
    syscall
    
    ; exit(0)
    mov rax, 60         ; sys_exit
    xor edi, edi        ; 退出码 0
    syscall

5.3、示例3：GAS AT&T语法

# hello_gas.s
# as --32 -o hello_gas.o hello_gas.s
# ld -m elf_i386 -o hello_gas hello_gas.o

.section .data
msg:
    .ascii "Hello from GAS!\n"
    len = . - msg

.section .text
.globl _start

_start:
    # write(1, msg, len)
    movl $4, %eax       # sys_write
    movl $1, %ebx       # stdout
    leal msg, %ecx      # buffer
    movl $len, %edx     # length
    int $0x80
    
    # exit(0)
    movl $1, %eax       # sys_exit
    xorl %ebx, %ebx
    int $0x80

5.4、示例4：文件操作系统调用

; fileops.asm (x64)
; nasm -f elf64 fileops.asm && ld -o fileops fileops.o

section .data
    filename db "test.txt", 0
    content db "Hello File!", 10
    content_len equ $ - content
    
    read_buf times 256 db 0

section .text
    global _start

_start:
    ; open(filename, O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, 0644)
    mov rax, 2              ; sys_open
    lea rdi, [rel filename]
    mov rsi, 0x241          ; O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC
    mov rdx, 0644o          ; 权限
    syscall
    
    mov r12, rax            ; 保存文件描述符
    
    ; write(fd, content, len)
    mov rax, 1              ; sys_write
    mov rdi, r12            ; fd
    lea rsi, [rel content]
    mov rdx, content_len
    syscall
    
    ; close(fd)
    mov rax, 3              ; sys_close
    mov rdi, r12
    syscall
    
    ; 重新打开并读取
    mov rax, 2
    lea rdi, [rel filename]
    xor rsi, rsi            ; O_RDONLY
    syscall
    
    mov r12, rax
    
    ; read(fd, buf, 256)
    mov rax, 0              ; sys_read
    mov rdi, r12
    lea rsi, [rel read_buf]
    mov rdx, 256
    syscall
    
    mov r13, rax            ; 保存读取长度
    
    ; 写到stdout
    mov rax, 1
    mov rdi, 1
    lea rsi, [rel read_buf]
    mov rdx, r13
    syscall
    
    ; close
    mov rax, 3
    mov rdi, r12
    syscall
    
    ; exit
    mov rax, 60
    xor edi, edi
    syscall

5.5、示例5：与C程序链接

; asmlib.asm (x64)
; nasm -f elf64 asmlib.asm

section .text
    global asm_add
    global asm_strlen

; int asm_add(int a, int b)
; RDI = a, RSI = b
asm_add:
    mov eax, edi
    add eax, esi
    ret

; size_t asm_strlen(const char* s)
; RDI = s
asm_strlen:
    xor rax, rax            ; 计数器
.loop:
    cmp byte [rdi + rax], 0
    je .done
    inc rax
    jmp .loop
.done:
    ret

// main.c
#include <stdio.h>

extern int asm_add(int a, int b);
extern size_t asm_strlen(const char* s);

int main() {
    printf("asm_add(10, 20) = %d\n", asm_add(10, 20));
    
    const char* str = "Hello World";
    printf("asm_strlen(\"%s\") = %zu\n", str, asm_strlen(str));
    
    return 0;
}

// 编译: gcc -c main.c && ld main.o asmlib.o -lc -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -o main
// 或: gcc main.c asmlib.o -o main

5.6、示例6：Shellcode基础

; shellcode.asm (x64)
; 用于提取shellcode的无依赖代码

BITS 64

_start:
    ; 清除寄存器
    xor rax, rax
    xor rdi, rdi
    xor rsi, rsi
    xor rdx, rdx
    
    ; 拼接"/bin/sh"字符串
    push rax                ; null terminator
    mov rdi, 0x68732f6e69622f   ; "/bin/sh" in little-endian
    push rdi
    mov rdi, rsp            ; rdi = 字符串指针
    
    ; execve("/bin/sh", NULL, NULL)
    push rax                ; NULL
    push rdi                ; "/bin/sh"
    mov rsi, rsp            ; argv
    xor rdx, rdx            ; envp = NULL
    mov al, 59              ; sys_execve
    syscall

; nasm -f bin -o shellcode.bin shellcode.asm
; xxd -i shellcode.bin

5.7、示例7：常用系统调用号

// 系统调用号参考（x64 Linux）
/*
read     = 0
write    = 1
open     = 2
close    = 3
stat     = 4
fstat    = 5
mmap     = 9
mprotect = 10
munmap   = 11
brk      = 12
ioctl    = 16
access   = 21
pipe     = 22
dup      = 32
dup2     = 33
fork     = 57
execve   = 59
exit     = 60
wait4    = 61
kill     = 62
getpid   = 39
getuid   = 102
getgid   = 104
setuid   = 105
setgid   = 106
socket   = 41
connect  = 42
accept   = 43
sendto   = 44
recvfrom = 45
bind     = 49
listen   = 50
*/

6、课后作业

基础练习：用NASM编写一个读取用户输入并回显的程序
文件操作：实现一个简单的文件复制程序
系统调用：使用mmap系统调用分配内存
混合编程：创建一个C和汇编混合的Linux程序