Погружение в ассемблер. Зачем учить ассемблер в 2020 году

Ради чего стоит изучать ассемблер?

Сто­ит осво­ить ассем­блер, если ты хочешь:

• ра­зоб­рать­ся, как работа­ют компь­ютер­ные прог­раммы. Разоб­рать­ся в деталях, на всех уров­нях, вплоть до машин­ного кода;
• раз­рабаты­вать прог­раммы для мик­роско­пичес­ких встра­иваемых сис­тем. Нап­ример, для 4-бит­ных мик­рокон­трол­леров;
• по­нять, что находит­ся под капотом у язы­ков высоко­го уров­ня;
• соз­дать свой собс­твен­ный ком­пилятор, опти­миза­тор, сре­ду исполне­ния JIT, вир­туаль­ную машину или что‑то в этом роде;
• ло­мать, отла­живать или защищать компь­ютер­ные сис­темы на самом низ­ком уров­не. Мно­гие изъ­яны безопас­ности про­явля­ются толь­ко на уров­не машин­ного кода и могут быть устра­нены толь­ко с это­го уров­ня.

Не сто­ит осва­ивать ассем­блер, если ты хочешь уско­рить дру­гие свои прог­раммы. Сов­ремен­ные опти­мизи­рующие ком­пилято­ры справ­ляют­ся с этой задачей очень хорошо. Ты вряд ли смо­жешь обог­нать их.

Кто выдаст лучший ассемблерный код?

По­чему обог­нать ком­пилятор прак­тичес­ки невоз­можно? Смот­ри, для тебя же оче­вид­но, что компь­ютер в шах­маты не обыг­рать, даже если ты игра­ешь луч­ше, чем соз­датель шах­матной прог­раммы? С опти­мизи­рующи­ми ком­пилято­рами та же исто­рия. Толь­ко опти­мизи­рующий ком­пилятор игра­ет не шах­матны­ми фигура­ми, а кон­текс­тны­ми обсто­ятель­ства­ми.

В сов­ремен­ных про­цес­сорах прак­тичес­ки нич­то из того, что вли­яет на про­изво­дитель­ность, нель­зя обсуждать в отры­ве от кон­тек­ста. Одна и та же ком­бинация из десят­ка ассем­блер­ных инс­трук­ций выпол­няет­ся с рез­кими отли­чиями по ско­рос­ти (в тысячи или даже мил­лионы раз), в зависи­мос­ти от целой кучи самых раз­нооб­разных обсто­ятель­ств.

• Те дан­ные, к которым ты сей­час обра­щаешь­ся, заг­ружены в кеш или нет? А сама ком­бинация ассем­блер­ных инс­трук­ций?
• Ес­ли ни дан­ные, ни код не раз­мещены в кеше, то не перетас­кива­ет ли их про­цес­сор туда вти­хомол­ку, пред­полагая, что к ним будут обра­щать­ся в бли­жай­шее вре­мя?
• Ка­кие инс­трук­ции были выпол­нены непос­редс­твен­но перед нашим десят­ком? Они сей­час все еще на кон­вей­ере?
• Мы слу­чаем не дос­тигли кон­ца текущей стра­ницы вир­туаль­ной памяти? А то, не дай бог, доб­рая полови­на нашего десят­ка попадет на новую стра­ницу, которая к тому же сей­час, по закону под­лости, вытес­нена на диск. Но если нам повез­ло и новая стра­ница таки в физичес­кой памяти, можем ли мы доб­рать­ся до нее через TLB-буфер? Или нам при­дет­ся про­дирать­ся к ней через пол­ный адрес, исполь­зуя таб­лицы стра­ниц? И все ли нуж­ные нам таб­лицы стра­ниц заг­ружены в физичес­кую память? Или какие‑то из них вытес­нены на диск?
• Ка­кой имен­но про­цес­сор выпол­няет код? Дешевень­кий i3 или мощ­ный i7? Быва­ет, что у дешевых про­цес­соров тот же набор инс­трук­ций, что и у мощ­ных, но прод­винутые инс­трук­ции выпол­няют­ся в нес­коль­ко шагов, а не за один.

И все это толь­ко вер­хушка айсбер­га, малая часть того, что тебе при­дет­ся учи­тывать и ана­лизи­ровать, ког­да будешь ста­рать­ся пере­играть ком­пилятор.

Есть такой миф, что прог­раммы, написан­ные на ассем­бле­ре, работа­ют в десять раз быс­трее. Этот миф ухо­дит кор­нями в семиде­сятые годы. Ком­пилято­ры в те далекие вре­мена генери­рова­ли код нас­толь­ко без­дарно, что у каж­дого ува­жающе­го себя прог­раммис­та был чер­ный спи­сок зап­рещен­ных язы­ковых конс­трук­ций.

Ког­да наши кол­леги из прош­лого писали прог­раммы, они либо дер­жали в уме этот чер­ный спи­сок и не давали сво­им паль­цам набивать проб­лемные конс­трук­ции, либо нас­тра­ива­ли спе­циаль­ный преп­роцес­сор, который кон­верти­ровал исходник в более низ­коуров­невое бес­проб­лемное пред­став­ление на том же язы­ке. С тех пор минуло 50 лет. Ком­пилято­ры воз­мужали, но миф остался.

Ко­неч­но, даже сегод­ня мож­но изредка встре­тить уни­кума, который пишет более быс­трый код, чем ком­пилятор. Вот толь­ко вре­мени у него на это ухо­дит так мно­го, что ни в какие ворота не лезет. Плюс для опти­миза­ции от тебя тре­бует­ся, что­бы ты назубок знал весь набор инс­трук­ций про­цес­сора.

Вдо­бавок, пос­коль­ку ты шли­фуешь свой код вруч­ную, никакой ком­пилятор не подс­тра­хует тебя, не поможет отло­вить баги, которые ты неиз­бежно пло­дишь, ког­да пишешь прог­рамму.

Кро­ме того, твой ассем­блер­ный код будет непере­носи­мым. То есть, если ты захочешь, что­бы твоя прог­рамма запус­калась на дру­гом типе про­цес­сора, тебе при­дет­ся пол­ностью перепи­сать ее, что­бы соз­дать модифи­кацию, заточен­ную под набор инс­трук­ций это­го дру­гого про­цес­сора. Само собой, тебе эти инс­трук­ции тоже надо знать назубок.

В ито­ге ты пот­ратишь в десят­ки и сот­ни раз боль­ше вре­мени, чем если бы доверил­ся опти­мизи­рующе­му ком­пилято­ру, — но резуль­тат, ско­рее все­го, ока­жет­ся мед­леннее, а не быс­трее.

При этом иног­да опти­мизи­рующий ком­пилятор вып­левыва­ет ассем­блер­ный код, логика которо­го ну сов­сем непонят­на. Одна­ко не спе­ши обви­нять ком­пилятор в глу­пос­ти. Давай раз­берем при­мер.

Ког­да ты пишешь на С что‑то вро­де x = a*2 + b*3, то естес­твен­ным обра­зом ожи­даешь уви­деть в ассем­бле­ре инс­трук­цию, которая умно­жает перемен­ную a на двой­ку. Но ком­пилятор зна­ет, что сло­жение дешев­ле умно­жения. Поэто­му он не умно­жает a на двой­ку, а скла­дыва­ет ее с самой собой.

Боль­ше того, гля­дя на b, ком­пилятор может счесть, что b + b + b пред­почти­тель­нее, чем b*3. Иног­да трой­ное сло­жение быс­трее умно­жения, иног­да нет. А иног­да ком­пилятор при­ходит к выводу, что вмес­то исходно­го выраже­ния быс­трее будет вычис­лить (a + b)*2 + b. Или даже ((a + b)<<1) + b.

А если x исполь­зует­ся лишь однократ­но — при­чем в связ­ке с парой строк пос­леду­юще­го кода, — ком­пилятор может вооб­ще не вычис­лять x, а прос­то вста­вить a*2 + b*3 вмес­то икса. Но даже если x исполь­зует­ся и ком­пилятор видит что‑то вро­де y = x – b*3, он может испра­вить эти рас­четы на y = a + a, удив­ляясь тво­ей рас­точитель­нос­ти. Рас­точитель­нос­ти в пла­не вычис­литель­ной слож­ности.

Раз­мышле­ния подоб­ного рода неиз­бежно заводят тебя в запутан­ный лабиринт аль­тер­натив­ных вари­антов. Все их нуж­но прос­читать, что­бы выб­рать луч­ший. Но даже ког­да ты сде­лаешь это, вари­ант ассем­блер­ного кода, сге­нери­рован­ный ком­пилято­ром, ско­рее все­го, будет работать быс­трее, чем твой.

Кста­ти, если исполь­зуешь GCC или Clang, акти­вируй опции опти­миза­ции для SSE, AVX и все­го осталь­ного, чем богат твой про­цес­сор. Затем откинь­ся на спин­ку крес­ла и уди­вись, ког­да ком­пилятор век­торизу­ет твой сиш­ный код. При­чем сде­лает это так, как тебе и не сни­лось.

Какие программы нельзя написать на ассемблере?

Нет таких. Все, что мож­но сде­лать на компь­юте­ре, мож­но сде­лать в том чис­ле и на ассем­бле­ре. Ассем­блер — это тек­сто­вое пред­став­ление сырого машин­ного кода, в который перево­дят­ся все прог­раммы, запущен­ные на компь­юте­ре.

Ты при желании можешь написать на ассем­бле­ре даже веб‑сайт. В девянос­тые С был впол­не разум­ным выбором для этой цели. Исполь­зуя такую вещь, как CGI BIN, веб‑сер­вер мог вызывать прог­рамму, написан­ную на С. Через stdin сайт получал зап­рос, а через stdout отправ­лял резуль­тат в бра­узер. Ты можешь лег­ко реали­зовать тот же прин­цип на ассем­бле­ре.

Но зачем? Ты дол­жен быть мазохис­том, что­бы про­делы­вать такое. Потому что ког­да ты пишешь на ассем­бле­ре, то стал­кива­ешь­ся вот с такими проб­лемами.

• У тебя более низ­кая про­дук­тивность, чем если бы ты работал на язы­ке высоко­го уров­ня.
• У тво­его кода нет никакой струк­туры, поэто­му дру­гим раз­работ­чикам будет труд­но читать его.
• Те­бе при­дет­ся писать мно­го букв. А там, где боль­ше букв, боль­ше потен­циаль­ных багов.
• С Secure Coding здесь все очень печаль­но. На ассем­бле­ре писать так, что­бы код был безопас­ным, слож­нее все­го. На С в этом пла­не ты чувс­тву­ешь себя куда более ком­фор­тно.

Да, все мож­но написать на ассем­бле­ре. Но сегод­ня это нецеле­сооб­разно. Луч­ше пиши на С. Ско­рее все­го, будет безопас­нее, быс­трее и более лаконич­но.

Ко­неч­но, ког­да ты зна­ешь ассем­блер, у тебя будут зна­читель­ные пре­иму­щес­тва перед теми прог­раммис­тами, которые его не зна­ют. Но преж­де чем озна­комить­ся с эти­ми пре­иму­щес­тва­ми, запом­ни одну прос­тую вещь: хо­рошие прог­раммис­ты зна­ют ассем­блер, но поч­ти никог­да не пишут на нем.

Какие преимущества ассемблер дает программисту?

Что­бы писать эффектив­ные прог­раммы (в пла­не быс­тро­дей­ствия и эко­номии ресур­сов), тебе обя­затель­но надо знать ассем­блер того железа, для которо­го ты пишешь. Ког­да ты зна­ешь ассем­блер, ты не обма­ныва­ешь­ся внеш­ней прос­тотой и крат­костью высоко­уров­невых фун­кций, а понима­ешь, во что в ито­ге прев­раща­ется каж­дая из них: в пару‑трой­ку ассем­блер­ных инс­трук­ций или в длин­нющую их пос­ледова­тель­ность, переп­летен­ную цик­лами.

Ес­ли работа­ешь с язы­ками высоко­го уров­ня, такими как С, научись хотя бы читать и понимать ассем­блер­ный код. Даже если ты в обоз­римом будущем не видишь себя пишущим на ассем­бле­ре (на самом деле мало кто себя так видит), зна­ние ассем­бле­ра тебе при­годит­ся.

Ес­ли будешь с ассем­бле­ром на ты, он сос­лужит тебе хорошую служ­бу в отладке. Осво­ив ассем­блер, ты будешь понимать, что про­исхо­дит под капотом язы­ков высоко­го уров­ня, как компь­ютер дела­ет то, что он дела­ет, и почему высоко­уров­невый ком­пилятор иног­да работа­ет не так, как ты ждешь от него. Ты смо­жешь видеть при­чину это­го и понимать, как ее устра­нить.

Плюс иног­да ты ну никак не можешь понять, что у тебя за баг, пока не прой­дешь­ся в отладчи­ке в пошаго­вом режиме по ассем­блер­ному коду.

И вот еще тон­кий намек: некото­рые работо­дате­ли хотели бы видеть в тво­ем резюме сло­во «ассем­блер». Это говорит им, что ты не прос­то по вер­хам нах­ватал­ся, а дей­стви­тель­но инте­ресу­ешь­ся прог­рамми­рова­нием, копа­ешь вглубь.

Стоит ли начинать изучать программирование с ассемблера?

Ког­да ты осва­иваешь прог­рамми­рова­ние, начиная с самых низов, в этом есть свои плю­сы. Но ассем­блер — это не самый низ. Если хочешь начать сни­зу, нач­ни с логичес­ких вен­тилей и циф­ровой элек­тро­ники. Затем поковы­ряй­ся с машин­ным кодом. И толь­ко потом прис­тупай к ассем­бле­ру.

Вре­мя от вре­мени тебя будут посещать мыс­ли, что ты занима­ешь­ся какой‑то ерун­дой. Но ты узна­ешь мно­го полез­ного для сво­ей будущей работы, даже если она будет свя­зана толь­ко с язы­ками высоко­го уров­ня. Ты узна­ешь, как имен­но компь­ютер дела­ет те вещи, которые он дела­ет.

Од­нако я бы не совето­вал начинать с ассем­бле­ра и более низ­ких сло­ев. Во всем том, что перечис­лено в двух пре­дыду­щих абза­цах, лег­че разоб­рать­ся, ког­да ты начина­ешь с какого‑нибудь язы­ка высоко­го уров­ня. Так ты дос­тигнешь жела­емо­го резуль­тата быс­трее, чем оно тебе нас­кучит.

Но в какой‑то момент тебе и прав­да обя­затель­но надо поз­накомить­ся с ассем­бле­ром, осо­бен­но если прог­рамми­руешь на С. Я сом­нева­юсь, что ты смо­жешь стать пол­ноцен­ным прог­раммис­том на С, не зная ассем­бле­ра. Но начинать с ассем­бле­ра не сто­ит.

Насколько легче учить другие языки, когда уже знаешь ассемблер?

Ас­сем­блер совер­шенно не похож на язы­ки высоко­го уров­ня. Поэто­му народ­ная муд­рость «Тот опыт, который ты получил на одном язы­ке, может быть лег­ко скон­верти­рован на дру­гой язык» с ассем­бле­ром не работа­ет.

Ес­ли ты нач­нешь с ассем­бле­ра, то пос­ле того, как выучишь его и решишь осво­ить новый язык, тебе при­дет­ся начинать как с чис­того лис­та. Пом­ню, мой одно­каш­ник еще в шко­ле выучил ассем­блер, написал на нем игрушку, с которой победил на кон­ферен­ции. Но при этом так и не смог хорошо осво­ить­ся в С, ког­да мы учи­лись в уни­вере.

Чем же ассем­блер отли­чает­ся от язы­ков высоко­го уров­ня? Перемен­ные в нем — это прос­то области памяти. Здесь нет ни int, ни char. Здесь нет мас­сивов!

Есть толь­ко память. При­чем ты работа­ешь с ней не так, как на язы­ке высоко­го уров­ня. Ты можешь забыть, что в какую‑то область памяти помес­тил стро­ку, и обра­тить­ся к ней как к чис­лу. Прог­рамма все рав­но ском­пилиру­ется. Но толь­ко обру­шит­ся в ран­тай­ме. При­чем обру­шит­ся жес­тко, без веж­ливого сооб­щения об ошиб­ке.

В ассем­бле­ре нет do..until, нет for..next, нет if..then. Вмес­то них там есть толь­ко опе­рации срав­нения и условно­го перехо­да. Стро­го говоря, там даже фун­кций нет.

Но! Изу­чив ассем­блер, ты будешь понимать, как реали­зуют­ся и фун­кции, и цик­лы, и все осталь­ное. А раз­ница меж­ду переда­чей парамет­ра «по зна­чению» и «по ссыл­ке» ста­нет для тебя само­оче­вид­ной. Плюс если ты пишешь на С, но не можешь до кон­ца разоб­рать­ся, как работа­ют ука­зате­ли, то, ког­да ты узна­ешь, что такое регис­тры и отно­ситель­ная адре­сация, уви­дишь, что понять ука­зате­ли сов­сем нет­рудно.

Луч­ше начинай с С. На нем удоб­но осва­ивать осно­вы: перемен­ные, усло­вия, цик­лы, логичес­кие пос­тро­ения и осталь­ное. Опыт, который ты получишь при изу­чении С, лег­ко скон­верти­ровать на любой дру­гой язык высоко­го уров­ня, будь то Java, Python или какой‑то еще. Да и с ассем­бле­ром лег­че разоб­рать­ся, ког­да ты уже осво­ил С.

Насколько доходно уметь программировать на ассемблере?

Ес­ли заг­лянешь на HH.ru, то, ско­рее все­го, не най­дешь ни одной вакан­сии, у которой в заголов­ке написа­но сло­во «ассем­блер». Но вре­мя от вре­мени какая‑нибудь кон­тора лихора­доч­но ищет мага‑вол­шебни­ка, который зна­ет нут­ро компь­юте­ра нас­толь­ко глу­боко, что может пол­ностью под­чинить опе­раци­онную сис­тему сво­ей воле. Мага‑вол­шебни­ка, который уме­ет (1) латать сис­тему, не имея на руках исходно­го кода, (2) перех­ватывать потоки дан­ных на лету и вме­шивать­ся в них.

Не­кото­рая часть этой глу­бокой магии — а сей­час пот­ребность в такой магии ста­новит­ся все более ред­кой — может быть воп­лощена толь­ко на язы­ке очень низ­кого уров­ня.

Я слы­шал о кон­торе, которая ищет челове­ка на раз­работ­ку новой плат­формы для высоко­час­тотно­го трей­дин­га. Там идея в том, что если ты получа­ешь информа­цию о котиров­ках быс­трее сво­их кон­курен­тов и при­нима­ешь решение быс­трее их, то будешь грес­ти бас­нослов­ные сум­мы.

«Ког­да ты получа­ешь котиров­ки, про­ходя через весь стек TCP/IP, это слиш­ком мед­ленно», — говорят пар­ни из этой фир­мы. Поэто­му у них есть при­моч­ка, которая перех­ватыва­ет тра­фик на уров­не Ethernet, пря­мо внут­ри сетевой кар­ты, куда залита кас­томизи­рован­ная про­шив­ка.

Но эти ребята пош­ли еще даль­ше. Они собира­ются раз­работать девайс для филь­тра­ции тра­фика Ethernet — на ПЛИС. Зачем? Что­бы ловить котиров­ки на аппа­рат­ном уров­не и тем самым эко­номить дра­гоцен­ные мик­росекун­ды трей­дин­гового вре­мени и в ито­ге получать неболь­шое, очень неболь­шое пре­иму­щес­тво перед кон­курен­тами. Язык С им не подошел. Им даже ассем­блер не подошел. Так что эти пар­ни выцара­пыва­ют прог­рамму пря­мо на крем­нии!