재귀 호출 스택 추적 연습 문서의 문제 3 풀이 코드다. if __name__ == "__main__": 아래가 자체 테스트다.
"""재귀 호출 스택 추적 연습의 답 확인. 실행: python3 47_recursion-stack-practice_p3.py
MASM이 없어 x86 32비트 명령 일부를 파이썬으로 흉내 낸다. 문서의 코드를 글자 그대로 넣어 돌린다.
문제 1~4의 표, 스택 주소, 고장 난 코드의 동작을 단언한다. 명령 주소는 가짜 값(00401000h + 4 × 순번)이다."""
import re
M32 = 0xFFFFFFFF
REG32 = ["eax", "ecx", "edx", "ebx", "esp", "ebp", "esi", "edi"]
REG8 = {"al": ("eax", 0), "ah": ("eax", 8), "bl": ("ebx", 0), "bh": ("ebx", 8),
"cl": ("ecx", 0), "ch": ("ecx", 8), "dl": ("edx", 0), "dh": ("edx", 8)}
REG16 = {"ax": "eax", "bx": "ebx", "cx": "ecx", "dx": "edx", "si": "esi", "di": "edi"}
class CPU:
"""x86 32비트 명령 일부만 흉내 낸다. 문서에 실린 코드를 글자 그대로 받아 돌린다."""
CODE_BASE = 0x00401000 # 명령 i번의 주소를 CODE_BASE + 4*i 로 친다(가짜 주소)
def __init__(self, source, esp=0x00001000, symbols=None):
self.r = {k: 0 for k in REG32}
self.r["esp"] = esp
self.mem = {} # 주소 -> 바이트
self.zf = self.cf = self.sf = 0
self.sym = dict(symbols or {}) # 변수 이름 -> 주소
self.prog, self.labels = [], {}
self.trace = []
self.halted = False
for raw in source.strip().splitlines():
line = raw.split(";")[0].strip()
if not line:
continue
m = re.match(r"^(\w+)\s+(PROC|ENDP)\b.*$", line)
if m:
if m.group(2) == "PROC":
self.labels[m.group(1)] = len(self.prog)
continue
m = re.match(r"^(\w+):\s*(.*)$", line)
if m:
self.labels[m.group(1)] = len(self.prog)
line = m.group(2).strip()
if not line:
continue
parts = line.split(None, 1)
op = parts[0].lower()
args = [a.strip() for a in parts[1].split(",")] if len(parts) > 1 else []
self.prog.append((op, args, raw.strip()))
self.eip = 0
# ---- 메모리 (리틀 엔디언) ----
def rd(self, addr, size=4):
return sum(self.mem.get((addr + i) & M32, 0) << (8 * i) for i in range(size))
def wr(self, addr, val, size=4):
for i in range(size):
self.mem[(addr + i) & M32] = (val >> (8 * i)) & 0xFF
def addr_of(self, i):
return self.CODE_BASE + 4 * i
# ---- 피연산자 ----
def _ea(self, expr):
"""[ebp+8], [ebp-4], [esi] 꼴의 주소를 계산한다."""
inner = expr.strip()[1:-1].replace(" ", "")
m = re.match(r"^(\w+)(?:([+-])(\w+))?$", inner)
base = self.r[m.group(1).lower()]
if m.group(2):
d = self._imm(m.group(3))
base = base + d if m.group(2) == "+" else base - d
return base & M32
@staticmethod
def _imm(tok):
t = tok.strip().lower()
if t.endswith("h"):
return int(t[:-1], 16)
if t.endswith("b") and set(t[:-1]) <= {"0", "1"}:
return int(t[:-1], 2)
return int(t)
def _parse(self, a):
"""(종류, 값, 크기)를 돌려준다. 종류: reg, reg8, mem, imm."""
size = 4
m = re.match(r"^(DWORD|WORD|BYTE)\s+PTR\s+(.*)$", a, re.I)
if m:
size = {"DWORD": 4, "WORD": 2, "BYTE": 1}[m.group(1).upper()]
a = m.group(2).strip()
low = a.lower()
if low in self.r:
return ("reg", low, 4)
if low in REG8:
return ("reg8", low, 1)
if low in REG16:
return ("reg16", low, 2)
if a.startswith("["):
return ("mem", self._ea(a), size)
if low.startswith("offset "):
return ("imm", self.sym[a.split()[1]], 4)
if a in self.sym:
return ("mem", self.sym[a], size)
return ("imm", self._imm(a) & M32, 4)
def get(self, a, size_hint=None):
kind, v, size = self._parse(a)
if kind == "mem" and size_hint:
size = size_hint
if kind == "reg":
return self.r[v]
if kind == "reg16":
return self.r[REG16[v]] & 0xFFFF
if kind == "reg8":
base, sh = REG8[v]
return (self.r[base] >> sh) & 0xFF
if kind == "mem":
return self.rd(v, size)
return v
def put(self, a, val, size_hint=None):
kind, v, size = self._parse(a)
if kind == "mem" and size_hint:
size = size_hint
if kind == "reg":
self.r[v] = val & M32
elif kind == "reg16":
self.r[REG16[v]] = (self.r[REG16[v]] & 0xFFFF0000) | (val & 0xFFFF)
elif kind == "reg8":
base, sh = REG8[v]
self.r[base] = (self.r[base] & ~(0xFF << sh) & M32) | ((val & 0xFF) << sh)
elif kind == "mem":
self.wr(v, val, size)
else:
raise ValueError("즉시값에는 쓸 수 없다: " + a)
# ---- 스택 ----
def push(self, val):
self.r["esp"] = (self.r["esp"] - 4) & M32
self.wr(self.r["esp"], val)
def pop(self):
v = self.rd(self.r["esp"])
self.r["esp"] = (self.r["esp"] + 4) & M32
return v
def _flags(self, res, carry):
self.zf = int(res & M32 == 0)
self.sf = (res >> 31) & 1
self.cf = int(carry)
# ---- 한 명령 실행 ----
def step(self):
op, a, raw = self.prog[self.eip]
nxt = self.eip + 1
if op == "mov":
# 한쪽이 8·16비트 레지스터면 메모리 피연산자도 그 크기로 읽고 쓴다
hint = None
for x in a:
k = self._parse(x)
if k[0] in ("reg8", "reg16"):
hint = k[2]
self.put(a[0], self.get(a[1], hint), hint)
elif op == "lea":
self.put(a[0], self._ea(a[1]))
elif op == "push":
self.push(self.get(a[0]))
elif op == "pop":
self.put(a[0], self.pop())
elif op in ("add", "sub", "cmp"):
x, y = self.get(a[0]), self.get(a[1])
res = x + y if op == "add" else x - y
self._flags(res, res > M32 if op == "add" else x < y)
if op != "cmp":
self.put(a[0], res)
elif op in ("inc", "dec"):
res = self.get(a[0]) + (1 if op == "inc" else -1)
cf = self.cf
self._flags(res, cf) # INC/DEC는 CF를 건드리지 않는다
self.put(a[0], res)
elif op == "mul":
prod = self.r["eax"] * self.get(a[0])
self.r["eax"], self.r["edx"] = prod & M32, (prod >> 32) & M32
self.cf = int(self.r["edx"] != 0)
elif op == "jmp":
nxt = self.labels[a[0]]
elif op in ("jz", "je"):
if self.zf:
nxt = self.labels[a[0]]
elif op in ("jnz", "jne"):
if not self.zf:
nxt = self.labels[a[0]]
elif op == "ja":
if not self.cf and not self.zf:
nxt = self.labels[a[0]]
elif op == "loop":
self.r["ecx"] = (self.r["ecx"] - 1) & M32
if self.r["ecx"]:
nxt = self.labels[a[0]]
elif op == "call":
self.push(self.addr_of(nxt))
nxt = self.labels[a[0]]
elif op == "ret":
target = self.pop()
if a:
self.r["esp"] = (self.r["esp"] + self._imm(a[0])) & M32
nxt = (target - self.CODE_BASE) // 4
elif op == "enter":
self.push(self.r["ebp"])
self.r["ebp"] = self.r["esp"]
self.r["esp"] = (self.r["esp"] - self._imm(a[0])) & M32
elif op == "leave":
self.r["esp"] = self.r["ebp"]
self.r["ebp"] = self.pop()
elif op == "pushad":
old = self.r["esp"]
for k in REG32:
self.push(old if k == "esp" else self.r[k])
elif op == "popad":
for k in reversed(REG32):
v = self.pop()
if k != "esp":
self.r[k] = v
elif op == "hlt":
self.halted = True
else:
raise ValueError("모르는 명령: " + raw)
self.trace.append((raw, dict(self.r), self.zf, self.cf))
self.eip = nxt
def run(self, start, limit=100000, watch=None):
self.eip = self.labels[start]
n = 0
while not self.halted:
self.step()
if watch:
watch(self)
n += 1
assert n < limit, "끝나지 않는다"
return self
CALCSUM = """
main PROC
mov ecx,3
mov eax,0
call CalcSum
L1: hlt
main ENDP
CalcSum PROC
cmp ecx,0
jz L2
add eax,ecx
dec ecx
call CalcSum
L2: ret
CalcSum ENDP
"""
FACT = """
main PROC
push {n}
call Factorial
ReturnMain: hlt
main ENDP
Factorial PROC
push ebp
mov ebp,esp
mov eax,[ebp+8]
cmp eax,0
ja L1
mov eax,1
jmp L2
L1: dec eax
push eax
call Factorial
ReturnFact:
mov ebx,[ebp+8]
mul ebx
L2: pop ebp
{ret}
Factorial ENDP
"""
# 문제 4의 답: 1부터 n까지의 합을 스택 매개변수로 받는 재귀
SUMTO = """
main PROC
push {n}
call SumTo
ReturnMain: hlt
main ENDP
SumTo PROC
push ebp
mov ebp,esp
mov eax,[ebp+8]
cmp eax,0
je L2
dec eax
push eax
call SumTo
add eax,[ebp+8]
L2: pop ebp
ret 4
SumTo ENDP
"""
def deepest(c, start="main"):
low, snap = [c.r["esp"]], {}
def watch(cpu):
if cpu.r["esp"] < low[0]:
low[0] = cpu.r["esp"]
snap.clear()
snap.update(cpu.mem)
c.run(start, watch=watch)
return low[0], snap
def rd(mem, a):
return sum(mem.get(a + i, 0) << (8 * i) for i in range(4))
if __name__ == "__main__":
# 문제 1: CalcSum, ECX = 3
c = CPU(CALCSUM)
rows = []
def w(cpu):
if cpu.trace[-1][0].startswith("call"):
rows.append((cpu.r["ecx"], cpu.r["eax"], cpu.r["esp"]))
c.run("main", watch=w)
assert rows == [(3, 0, 0xFFC), (2, 3, 0xFF8), (1, 5, 0xFF4), (0, 6, 0xFF0)]
assert (c.r["eax"], c.r["ecx"], c.r["esp"]) == (6, 0, 0x1000)
assert sum(1 for raw, _, _, _ in c.trace if raw.endswith("ret")) == 4
# 문제 2: Factorial(4)
f = CPU(FACT.format(n=4, ret="ret 4"))
f.r["ebp"] = 0x1010
low, snap = deepest(f)
assert f.r["eax"] == 24 and low == 0x1000 - 60 == 0xFC4
n_addr = [0xFFC - 12 * k for k in range(5)]
assert n_addr == [0xFFC, 0xFF0, 0xFE4, 0xFD8, 0xFCC]
assert [rd(snap, a) for a in n_addr] == [4, 3, 2, 1, 0]
ebp_addr = [a - 8 for a in n_addr]
assert ebp_addr == [0xFF4, 0xFE8, 0xFDC, 0xFD0, 0xFC4]
assert [rd(snap, a) for a in ebp_addr] == [0x1010, 0xFF4, 0xFE8, 0xFDC, 0xFD0]
assert [r["eax"] for raw, r, _, _ in f.trace if raw.startswith("mul")] == [1, 2, 6, 24]
# 문제 3: ret 4를 ret으로 바꾸면 (n = 1)
b = CPU(FACT.format(n=1, ret="ret"))
b.r["ebp"] = 0x1010
b.eip = b.labels["main"]
steps = []
while True:
op = b.prog[b.eip][0]
if op == "ret" and len([s for s in steps if s == "ret"]) == 1:
break # 바깥 호출의 ret 직전에서 멈춘다
b.step()
steps.append(op)
# 안쪽 호출이 돌아온 뒤 인수 0이 남아, 바깥의 pop ebp가 그 0을 EBP에 넣었다
assert b.r["ebp"] == 0 and b.r["esp"] == 0xFF4
# ret이 꺼낼 값은 복귀 주소가 아니라 main의 EBP 값이다
assert b.rd(b.r["esp"]) == 0x1010
assert b.r["eax"] == 1 # 곱셈까지는 맞게 했다
# 문제 4: SumTo
for n in range(0, 40):
s = CPU(SUMTO.format(n=n))
s.r["ebp"] = 0x1010
low, _ = deepest(s)
assert s.r["eax"] == n * (n + 1) // 2
assert (s.r["esp"], s.r["ebp"]) == (0x1000, 0x1010)
assert 0x1000 - low == 12 * (n + 1)
s = CPU(SUMTO.format(n=3))
s.run("main")
assert [r["eax"] for raw, r, _, _ in s.trace if raw.startswith("add eax")] == [1, 3, 6]
print("ALL CHECKS PASSED")