教程：纯手工实现多线程

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控制流，指的是一系列按顺序执行的指令。多控制流，是指存在两个或两个以上可以并发（宏观同时，微观不同时）执行的指令序列。比如你编写的多线程程序，每个线程就可以看成是一个控制流，多个线程允许多个控制流一起执行。 在我们学习编程的时候，如果不借助操作系统提供的线程框架，是无法完成多控制流的运行的。 本文我们先来剖析一下，我们的指令如何”莫名奇妙“的就切换到其它线程的。 1. 指令执行 不管你用的是什么语言编程，最后都要落实到 CPU 上，而 CPU 只认识它自己的语言，机器语言。机器语言对应的就是汇编指令。如下面的 x86 指令序列。 ... mov eax, 5 push eax call 0x00401020 add 0x4 ... 程序在执行时，本质上就是汇编指令在 CPU 上一条一条跑。对于单核 CPU 来说，永远只有一条控制流，也就是只有一条指令序列。所以，宏观上模拟的多线程程序，本质上还只是单控制流，所谓的多线程，只不过是一种被制造出来的假像！ 2. 控制流切换 汇编指令在执行的时候，最重要地方在于它需要依赖 CPU 环境： 一套通用寄存器 (eax, edx, ecx, ebx, esp, ebp, esi, edi) 标志寄存器 eflags 指令寄存器 eip (eip 用来保存下一条要被指令的地址) 还有一个很重要环境，就是栈！因为指令序列在执行时，经常会保存一些临时数据，比如某条指令的地址。当指令执行 ret 指令的时候，cpu 会从当前栈顶弹出一个值到 eip 寄存器！这意味着要发生跳转了！ 通用寄存器中，有一个寄存器名为 esp，它保存的是栈顶指针。指令 push 、 pop、call、ret 都需要依赖于 esp 工作。 call 指令把它后面的指令地址保存到 esp 指向的内存单元，同修改 eip ret 指令把 esp 指向的内存单元中的值保存到 eip push 指令把值保存到 esp 指向的内存单元 pop 把 esp 指向的内存单元的值取出。 图1 esp 与内存单元的关系 想象一下，如果某个时候，我们把 esp “偷偷”换了，换句话说我们是把栈换了，而栈中保存的那个“某条指令”的地址的值也不一样了，将会发生什么？ 图2 更改 esp 寄存器的值做到栈切换 所谓的切换控制流，无非就是在更改 esp 栈顶指针来做到偷梁换柱的把戏而已。只不过，为了做到惟妙惟肖，我们在更改 esp 的时候，还得顺带的把通用寄存器环境修改修改，以适应新的那段“某条指令”的执行环境。 通常，这段新的“某条指令”的执行环境，恰好也保存在栈里，就像图 2 中 esp 到“某条指令地址”之间那段内存的数据。 说了这么多很抽象，我们来一个具体的例子。简单讲解一下，更改栈中保存“某条指令地址”的后果。 3. 修改栈改变程序执行流程 3.1 程序清单 代码 // test.c #include <unistd.h> #include <stdio.h> void fun() { while(1) { printf("Hello, I'm fun!\n"); sleep(1); } } int main() { int a[5] = { 0 }; // 传说中的溢出攻击 a[5] = (int)fun; a[6] = (int)fun; a[7] = (int)fun; return 0; } 编译和运行 $ gcc test.c $ ./a.out 运行结果 图3 修改栈中数据 3.2 结果分析 图 4 中，左侧部分是上面 C 语言代码的反汇编部分。中间的栈是原本的样子，也就是还没执行 a[5] = fun, a[6] = fun 以及 a[7] = fun 的样子。被蓝色虚线框起来的是进入 main 函数的返回地址以及 main 函数的参数。最右边的栈，是被修改后的栈。 图4 指令序列分析 可以看到后面的越界赋值导致蓝色框框中的数据被破坏，导致“某条指令地址”被更改为 fun 函数地址，也就是图 4 中汇编第 4 行指令 pushl %ebp 这条指令的地址。 当指令执行到第 31 行的 ret 时，栈是图 5 的样子： 图5 执行到 31 行 ret 指令时栈的样子 ret 指令等价于 pop eip，也就是把栈顶的值送入 eip 寄存器。于是，程序就跳转到了 fun 函数中执行，形成图 3 中的效果。 如果你阅读上面的执行流程感觉困难，建议你先读一读有关函数执行流程的知识，在文章《打造自己的 longjmp》中有很详细的介绍。 4. 再论控制流切换 在你彻底明白第 3 节的实验后，我们换个思路，我们不修改栈的内容，而是直接换一个栈，本质上也就是换 esp 的值，能不能达到相同的效果？比方说，新的栈里的内容，是我事先构造好的。再看一个实验。 代码 #include <unistd.h> #include <stdio.h> void fun() { while(1) { printf("Hello, I'm fun!\n"); sleep(1); } } int main() { int stack[64] = {0}; stack[63] = (int)fun; // 新栈的栈顶指针 int new_esp = (int)(stack+63); __asm__ ( "mov %0, %%esp\n\t" "ret\n\t" ::"m"(new_esp)); /* 上面的这段内联汇编翻译成 x86 汇编是这样的： mov esp, new_esp 切换栈顶指针 ret 返回 */ return 0; } 编译和运行 $ gcc test2.c $ ./a.out 执行效果和图 3 中是一模一样的，这里就不贴图了。 这个实验和第 3 节中的区别就是不再修改栈内容，而是使用我们自己构造的新栈，以达到相同的控制流切换的效果。这里就不再画栈的样子了，留给读者自己分析。 这个真的是控制流“切换”吗，看起来像而已，本质上它只是个跳转。 5. 总结 理解“切换”的本质 掌握指令执行与栈的关系 练习1：完成本文中的两个实验。练习2：画出实验二中旧栈和新栈，分析是如何从旧栈切换到新栈的，以及是如何跳转到函数 fun 中去的。