如何閱讀 x86-64 暫存器與指令
從部分暫存器、資料大小、MOV 與 LEA 到機器碼編碼
如何閱讀 x86-64 暫存器與指令
本部落格文章以教學為目的。 實際程式碼會隨 CPU 世代、作業系統、ABI、組譯器、編譯器與建置選項而變化，請先確認目標環境。
初次看到 rax、eax、ax、al 時，它們很像四個不同的暫存器。真正重要的不是背下所有助記符，而是追蹤：讀取多寬的值、值從哪裡來、寫到哪裡，以及哪些處理器狀態被改變。
分清三個層次
C 運算式 total += values[i];
組合語言表示 add rax, qword ptr [rcx + rdx*8]
機器碼位元組 48 03 04 D1C 表達型別與意圖；組合語言把指令和運算元寫成人可讀形式；機器碼則是 CPU 解碼的位元組。原始碼一行與指令一條並沒有一對一保證。
通用暫存器與部分暫存器
x86-64 有 rax、rbx、rcx、rdx、rsi、rdi、rbp、rsp 以及 r8 到 r15，共 16 個 64 位元通用暫存器。rsp 的堆疊角色由硬體指令使用；哪個暫存器承載函式參數則由 ABI 決定。
| 名稱 | 存取範圍 |
|---|---|
rax | 完整 64 位元 |
eax | 低 32 位元 |
ax | 低 16 位元 |
al | 低 8 位元 |
ah | 第 8～15 位元的舊式名稱 |
64 位元模式下，寫入 32 位元通用暫存器會把高 32 位元清為 0。
mov rax, 0FFFFFFFFFFFFFFFFh
mov eax, 7
; RAX = 0000000000000007h8 位元或 16 位元寫入則保留其餘位元。
mov rax, 1122334455667788h
mov al, 0AAh
; RAX = 11223344556677AAh這也是編譯器常在 setcc al 前先用 xor eax, eax 清零的原因。舊式高位元組 ah、bh、ch、dh 不能出現在需要 REX prefix 的指令中，新程式通常應避免使用。
資料寬度是指令語意的一部分
mov al, byte ptr [rcx] ; 1 位元組
mov ax, word ptr [rcx] ; 2 位元組
mov eax, dword ptr [rcx] ; 4 位元組
mov rax, qword ptr [rcx] ; 8 位元組位址相同，但存取寬度不同。寬度錯誤可能讀寫相鄰欄位、跨越頁面邊界，或破壞結構配置契約。
mov 是複製
一般 mov 不會清除來源，多數形式也不能直接從記憶體搬到另一個記憶體位置。
mov rax, [rsi]
mov [rdi], rax但這不是「x86 指令永遠只能碰一個記憶體位置」的普遍規則；字串與 read-modify-write 指令有自己的格式，必須查閱指令手冊。
擴展方式顯示 signedness
同一個位元組 0xFF 可以是無號 255，也可以是有號 -1。
movzx eax, byte ptr [rcx] ; 255
movsx eax, byte ptr [rcx] ; 符號擴展為 -1
movsxd rax, eax ; signed 32 位元擴展到 64 位元movzx 用 0 填滿新高位，movsx 複製原符號位。反組譯中沒有 C 型別名稱，因此要把擴展、比較與分支一起看，才能推測有號或無號語意。
lea 計算位址但不讀記憶體
lea rax, [rcx + rdx*4 + 16]rax 得到有效位址，該位址內的值不會被讀取。
lea rax, [rcx + 8] ; rax = rcx + 8
mov rax, [rcx + 8] ; 讀取該處的 8 位元組值
lea eax, [rcx + rcx*2] ; eax = rcx * 3編譯器也會用 lea 執行不改變旗標的加法與常數倍運算。
算術指令覆寫目的地
add rax, rdx
sub rcx, 8
and eax, 0FFh
xor edx, edx ; rdx 整體也變成 0Intel 語法的二運算元指令通常是 destination = destination op source。這些指令也會更新條件旗標；後面的 jcc、setcc、cmovcc 必須追到實際產生旗標的那一條指令。
Intel 與 AT&T 語法
; Intel：目的地在前
mov rax, qword ptr [rbx + 8]
# AT&T：來源在前
movq 8(%rbx), %rax表示法不同不代表 CPU 指令不同，但若把運算元順序看反，資料流也會完全相反。
指令長度不是固定的
x86-64 指令長度為 1 到 15 位元組，可包含 prefix、opcode、ModR/M、SIB、displacement 與 immediate。
48 89 D8 mov rax, rbx
B8 2A 00 00 00 mov eax, 42
48 8B 44 D1 10 mov rax, [rcx + rdx*8 + 16]不必背位元組，但在檢查指令邊界、patch、relocation，或反組譯起點偏移一個位元組時，這個結構非常重要。
追蹤一個小函式
System V ABI 下，int transform(int x) { return x * 3 + 5; } 可能成為：
transform:
lea eax, [rdi + rdi*2]
add eax, 5
ret輸入在 edi，回傳值在 eax。但硬體的環繞結果並不等於 C 的 signed overflow 語意；後者是未定義行為。
閱讀檢查表
- 是 Intel 還是 AT&T 語法？
- 運算元寬度是多少？
- 讀取什麼、覆寫什麼？
- 32 位元寫入是否把高位清零？
- 有效位址如何計算？
- 是否產生或消耗旗標？
- ABI 是否賦予參數、回傳或保存角色？
總結
閱讀 x86-64 要從狀態變化開始。部分暫存器重疊，32 位元寫入清除高半部；mov 複製資料，擴展指令暴露整數解讀方式，而 lea 不讀記憶體，只計算有效位址。