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02 - Representação de dados em RAM

Experimentos

Vamos trabalhar com os arquivos experimento0-4.c. Compile e execute cada um deles, execute e analise suas saídas. Comente os resultados comparando os valores das constantes no código em C e a saída dos programas. Tente entender o que está acontecendo.

Para compilar cada .c, utilize:

$ gcc -Wall -pedantic experimento0.c -o e0

Exercise 1

Examine o código C do arquivo experimento0.c e compare com o resultado de sua execução. Há algo estranho? Se sim, escreva abaixo algumas hipóteses para o comportamento do programa.

Answer

No exercício é definido uma union, que se parece com uma struct, mas os campos compartilham o mesmo espaço de memória. Ou seja os compos variavel.num e variavel.letra ocupam o mesmo endereço, e a estrutura ocupa 4 bytes, o tamanho do maior campo (char 1 byte e int 4 bytes).

char_ou_int variavel;
variavel.num = 130;

acima é atribuído o valor 130 os campos, mas quando é impresso o tipo char (printf("%c\n", variavel.letra);), o valor 130 (0x82 em hexadecimal) não é ASCII imprimível padrão, então pode sair como um símbolo estranho (ou nada visível).

Na saída do print printf("%#08x\n", variavel.letra); (print no formato hexadecimal) é impresso o valor 0xffffff82 pois como o campo variavel.letra é do tipo char (signed), temos que 130=0x82 (unsigned) e -126= 0xffffff82 (unsigned).

Exercise 2

Examine o código C do arquivo experimento1.c e compare com o resultado de sua execução. Há algo estranho? Se sim, escreva abaixo algumas hipóteses para o comportamento do programa.

Answer

Os números do experimento1.c são inicializados na notação hexadecimal (por exemplo int num1 = 0x0a0c0b0d;). Na memória os bytes da variável num1 são armazenados do byte menos significativo para o mais significativo, ou seja, 0d0b0c0a. Isso mostra que a arquitetura do seu processador é little-endian (x86-64).

Exercise 3

Examine o código C do arquivo experimento2.c e compare com o resultado de sua execução. Há algo estranho? Se sim, escreva abaixo algumas hipóteses para o comportamento do programa.

Answer

No exercício é declarado um array de short com 3 elementos, cada elemento com 2 bytes. Note que na saída a ordem dos elementos no array é preservada, mas cada short individual é armazenado em little-endian -- LSB (byte menos significativo) primeiro.

declaração: short arr[] = {0x1122, 0x3344, 0x5566};

saída: 22 11 44 33 66 55

Exercise 4

Examine o código C do arquivo experimento3.c e compare com o resultado de sua execução. Há algo estranho? Se sim, escreva abaixo algumas hipóteses para o comportamento do programa.

Answer

Nesse exercício é declarado uma string na linguagem C

char *string = "Oi C :-)";

essa string ocupa ocupa 8 caracteres visíveis + 1 terminador \0 = 9 bytes. Na saída são impressos os caracteres e seu código ASCII em hexadecimal.

'O'(4f) 'i'(69) ' '(20) 'C'(43) ' '(20) ':'(3a) '-'(2d) ')'(29) ''(00)

Exercise 5

Examine o código C do arquivo experimento4.c e compare com o resultado de sua execução. Há algo estranho? Se sim, escreva abaixo algumas hipóteses para o comportamento do programa.

Answer

No trecho:

int a = 10;
int *ap = &a;

a varível ponteiro ap aponta para o endereço da variável a, quando é feito ap + 1, o compilador não soma 1, é somado o sizeof(int) = 4 bytes.

O trecho abaixo funciona de forma análoga,

considerando que sizeof(long) = 8 bytes

long l = 10;
long *lp = &l;

Representação de struct em RAM

A utilização de struct junta tudo que já vimos sobre representação de todos os tipos de dados na memória. Não se esqueça de levar em conta as questões de alinhamento mostradas na parte expositiva da aula.

Atenção!

Você não deverá abrir o código de parte1.c. Ele está no repositório para você poder conferir suas respostas.

Vamos compilar?!

Compile e execute parte1.c.

Exercise 6

Os endereços mostrados na saída de parte1 pertencem a um só struct declarado como struct player one. Quais são os tamanhos de cada campo?

Dica: pode não ser possível identificar exatamente o tamanho de cada campo, mas é esperado que você identifique ao menos o tamanho máximo de cada um.

Answer

No exemplo não é possível identificar o tamanho “real” de cada campo na memória por causa do alinhamento de tipos na memória, mas podemos identificar o tamanho máximo ocupado pelos endereços dos campos consecutivos, por exemplo:

Campo icon_id

Endereço: 0x596b2fdac020

Próximo campo (level) começa em 0x596b2fdac028

Diferença: 0x28 - 0x20 = 0x8 = 8 bytes

Exercise 7

A segunda parte da saída de parte1 mostra os endereços de cada campo do struct. Note que &one e &one.icon são iguais. Você consegue explicar por que? Se não, volte na aula expositiva e reveja a parte sobre struct e alinhamento de memória.

Answer

Em C, um struct é armazenado como um bloco contíguo de memória. O primeiro campo sempre começa exatamente no início do bloco que representa a struct, assim:

&one        = 0x596b2fdac020
&one.icon   = 0x596b2fdac020

Exercise 8

Baseado nas respostas acima, declare abaixo o struct. Escreva-o da mesma maneira que usaria em um programa em C.

Answer

struct player {
    char icon_id;      // 1 byte
    long level;        // 8 bytes (em sistemas 64 bits)
    char name[20];     // 20 bytes
    long score;        // 8 bytes
};

Hora de conferir!

Agora confira suas respostas no arquivo parte1.c.

Examinando a execução de programas usando gdb

Podemos examinar um programa durante sua execução usando o gdb. Podemos parar em qualquer instrução do programa, examinar conteúdo de registradores e da memória e listar todos os símbolos disponíveis (que podem ser funções ou variáveis globais).

Dica! 1

Para compilar um programa com suporte a debugging usamos a flag -g do gcc

$ gcc -g -Wall -pedantic parte2.c -o parte2

Siga os passos para para carregar um programa usando o gdb:

  1. Lance o gdb e passe para ele seu programa:

    $ gdb ./parte2

  2. Para sair, utilize:

    (gdb) quit

Tip 2

O gdb é uma ferramenta poderosa que possui muitas opções. Sua documentação está online e pode ser acessada em: https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/index.html#Top.

Uma explicação detalhadas dos comandos do gdb pode ser encontrada nesse link: https://diveintosystems.org/book/C3-C_debug/gdb_commands.html.

Nesta primeira parte iremos abrir o arquivo parte2.c e olhar seu conteúdo. Também executaremos o programa compilado parte2.

Exercise 9

Abra o código parte2.c e liste os nomes das variáveis globais declaradas e seus tamanhos. Anote também as funções declaradas.

Atenção, tarefa dupla!

Para os próximos exercícios, compile o arquivo parte2.c com e sem debugging e repita cada exercício com ambas as versões do executável. Exemplo de compilação:

$ gcc -g -Wall -pedantic parte2.c -o parte2_debug
$ gcc -Wall -pedantic parte2.c -o parte2_semdebug

Exercise 10

O comando info mostra informações que podem ser obtidas a partir de um executável. Execute-o e veja o que acontece.

Exercise 11

Use info para mostrar as funções e variáveis globais que existem em parte2. Lembre de fazer tanto na versão com quanto na sem debugging!

Muita informação!

Muitos nomes são estranhos. Eles fazem parte do padrão de arquivos executáveis ELF, que contém informações específicas do sistema operacional usado. Você não precisa se preocupar com estes nomes.

Exercise 12

Qual é o significado da primeira coluna do comando info variables?

Dica: o valor está em hexadecimal, que usamos na expositiva para mostrar ponteiros.

Answer

A primeira coluna do comando info variables no GDB mostra os endereços de memória onde as variáveis estão armazenadas.

Exercise 13

Podemos usar o comando print para mostrar o valor inicial das variáveis globais identificadas. Mostre o valor inicial de global_var usando este comando e compare com o visto no arquivo parte2.c.

Dicas:

  • Pode não funcionar de primeira. O quê a mensagem de erro diz?
  • A sintaxe de conversão de tipos de C (casting) pode ser útil aqui.

Answer

Para o executável sem degub parte2_semdebug use:

(gdb) print (long) global_var
$1 = 137438953472

Para o executável com degub parte2_debug use:

(gdb) print global_var
$1 = 137438953472

Exercise 14

Podemos usar o gdb também para examinar a memória de um executável. Acesse esta página da documentação, entenda como usar o comando x e escreva abaixo qual o comando usado para mostrar o conteúdo do segundo item do vetor global_array. Em seguida, teste-o e garanta que funcionou corretamente.

Link: https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Memory.html

Dicas:

  1. volte nos exercícios anteriores e encontre o endereço do início do vetor
  2. calcule o endereço do segundo elemento manualmente e passe para o comando x
  3. não se esqueça de buscar na memória o tamanho correto do elemento

Answer

De forma geral, o comando x aceita até três argumentos de formatação 

x/nfu endereço_de_memória
n: o número de repetições (um valor inteiro positivo)

f: o formato de exibição exemplos: s = string, i = instrução, x = hexadecimal, d = decimal, t = binário, a = endereço, etc.

u: a unidade de exibição (quantos bytes cada item ocupa) exemplos: b = byte (1 byte), h = 2 bytes, w = 4 bytes, g = 8 bytes

Considerando que o endereço da varíavel global_array seja 0x0000000000004010 teríamos o comando:

(gdb) x/1dh 0x0000000000004012
0x4012 <global_array+2>:        10

Exercise 15

global_array tem tipo short. Ou seja, é formado por dois bytes. Mostre agora o conteúdo de cada um deles. Ou seja, você deverá dar dois comandos para examinar a memória. Explique como converter esses dois bytes para o valor mostrado no exercício anterior.

Answer

Supondo que você queira ver o primeiro elemento de global_array:

x/xb (char*)&global_array

Segundo byte:

x/xb (char*)&global_array+1

Para ver todos os elementos:

x/10xb (char*)&global_array

Exercise 16

Use agora o comando x para exibir global_str como uma string. Escreva o comando abaixo.

Answer

Como a variável global_str é um ponteiro para uma string char *, o primeiro passo é descobrir o endereço armazendo na variável global_str:

(gdb) x/a 0x0000000000004028
0x4028 <global_str>:    0x2004

Agora basta usar o endereço para acessar a string armazenada na memória

(gdb) x/s 0x2004
0x2004: "Schiaparelli crater!"