アセンブラ短歌とは、五・七・五・七・七の31バイト(みそひとバイト)の機械語コードでプログラムを書いてみるという近未来の文化的趣味です。
macOS（x86_64 / Mach-O）で動く「アセンブラ短歌」の紹介です。
ソースコード: kami.s
# macOS（x86_64 / Mach-O）
.section __TEXT,__text
.globl _main
_main:
# 5
push $2
push $4
pop %rdx
# 7
pop %rdi
push $0x0a9ea5e7 # UTF-8
push %rsp
# 5
pop %rsi
movl %edi, %eax
bswap %eax # 02 00 00 00
# 7
orl $4, %eax
syscall
movl %edi, %eax
# 7
bswap %eax # 02 00 00 00
orl $1, %eax
syscall
このコードをアセンブルして機械語に翻訳するには以下のコマンドを実行します。
arch -x86_64 clang kami.s
Apple Silicon(ARM64)で動かす場合は、Rosettaのarch -x86_64コマンド経由で実行します。
エントリポイントを指定したい場合clangに-e _mainオプションを指定したり、標準Cライブラリを明示的にリンクしたくない場合は-nostdlibオプションを追加することもできます。
エラーがなければ a.out 実行ファイルが生成されますのでRosetta経由でIntelバイナリを実行します。
arch -x86_64 ./a.out
神
このプログラムはシステムコールを2回呼び出して以下を実行しています。
- 標準エラー出力（fd=2）へ UTF-8 の「神」＋改行の文字列を出力し（write）
- 終了コード2で終了します（exit）
Xcodeに含まれるコマンドラインツールotoolを実行し、Mach-O形式のバイナリファイル（macOS/iOSアプリの実行ファイル）を解析します。
otool -xvj a.out
(__TEXT,__text) section
_main:
0000000100000f89 6a02 pushq $0x2
0000000100000f8b 6a04 pushq $0x4
0000000100000f8d 5a popq %rdx
0000000100000f8e 5f popq %rdi
0000000100000f8f 68e7a59e0a pushq $0xa9ea5e7 ## imm = 0xA9EA5E7
0000000100000f94 54 pushq %rsp
0000000100000f95 5e popq %rsi
0000000100000f96 89f8 movl %edi, %eax
0000000100000f98 0fc8 bswapl %eax
0000000100000f9a 83c804 orl $0x4, %eax
0000000100000f9d 0f05 syscall
0000000100000f9f 89f8 movl %edi, %eax
0000000100000fa1 0fc8 bswapl %eax
0000000100000fa3 83c801 orl $0x1, %eax
0000000100000fa6 0f05 syscall
日本の短歌のように、5バイト、7バイト、5バイト、7バイト、7バイトの区切りで機械語が区切られていることがわかります。
macOS の x86_64 では syscall 命令でカーネル呼び出し（システムコール）を行います。
- RAX … システムコール番号
- RDI, RSI, RDX, R10, R8, R9 … 第1〜第6引数 をセットして syscall します。
このコードは、write(fd=2, buf=..., n=4) を呼び、その後 exit(status=2) を呼んでいます。
.section __TEXT,__text
.globl _main
_main:
.section __TEXT,__text は Mach-O の 実行コード領域（text セクション）に置く指定です。
._main は C の main に相当するリンカが見るエントリシンボルです（macOS では先頭に _ が付きます）。
コード中の # 5 や # 7 はコメントなので実行には無関係です。しばしば短歌のように「5-7-5-7-7」を意識して命令を区切る演出として入れています。 これが“アセンブラ短歌”のノリです。
# 5
push $2
push $4
pop %rdx
# 7
pop %rdi
ここは write の引数を作っています。
- push $2 で値 2 をスタックへ
- push $4 で値 4 をスタックへ
- pop %rdx で 4 を RDXレジスタへ
- pop %rdi で 2 を RDIレジスタへ
つまり
- RDI = 2 … 第1引数 fd（標準エラー）
- RDX = 4 … 第3引数 nbytes（4バイト書く） という状態になります。
なぜ mov $2, %rdi みたいにしないのかというと、 短く・字数遊び的に「push」と「pop」で即値ロードをしています。 命令バイト数の都合やリズム感も表現しています。
push $0x0a9ea5e7 # UTF-8
push %rsp
# 5
pop %rsi
ここがこのコードの肝です。
0x0a9ea5e7 は 16進で 4バイトです。x86_64 は リトルエンディアンなので、メモリ上の並びは下位バイトから
e7 a5 9e 0a
になります。
- e7 a5 9e … UTF-8 の「神」
- 0a … 改行（LF）
つまり、スタック上に **"神\n"（4バイト）**を直接埋め込んでいます。
注意：push imm32 は x86_64 では「符号拡張して8バイト分スタックに積む」動作です。 下位4バイトに文字列の並びが入っていれば、write の長さを 4 にして、上位側の値がどうであれ実害が出ないようにしています。
- push %rsp は「今のスタック先頭アドレス（= さっき積んだ文字列の先頭）をスタックに積む」
- pop %rsi でそれを RSI に入れる 結果として
- RSI = buf（"神\n" が置かれているアドレス） になります。これで write の第2引数が揃いました。
movl %edi, %eax
bswap %eax # 02 00 00 00
# 7
orl $4, %eax
syscall
ここは write のシステムコール番号を作っています。
macOS（Darwin / XNU）の x86_64 では、UNIX(BSD)系の syscall は
- RAX = 0x2000000 + <BSD syscall番号> という形式になります。
BSD の write は 4 です。したがって
- write の syscall 番号は 0x2000004 になります。
この時点で EDI = 2（fd）です。
movl %edi, %eax で EAX = 2 となります。
bswap %eax は 32bit のバイト順を逆転します。
0x00000002 を bswap すると
0x02000000 になります。
コメントの # 02 00 00 00 はその見た目（バイト列）を示しています。
0x02000000 | 0x00000004 = 0x02000004
これで RAX（正確には EAX）が write の syscall 番号になりました。
ここまでで
- RAX = 0x02000004 … write
- RDI = 2 … fd=stderr
- RSI = buf … "神\n"
- RDX = 4 … length=4 ができました。
このあと syscall を呼び出すことで write(2, "神\n", 4) が実行されます。
movl %edi, %eax
# 7
bswap %eax # 02 00 00 00
orl $1, %eax
syscall
BSD の exit は 1 です。したがって syscall 番号は
0x2000001
です。さっきと同じ要領で
- EAX = EDI = 2
- bswap(EAX) = 0x02000000
- or 1 で 0x02000001 となり、exit を呼びます。
exit(status) の第1引数は RDI です。ここで RDI は最初に fd としてセットした 2 のままなので、
- exit(2)（終了コード 2） になります。
- 即値ロードを push/pop でやっている（見た目も短くリズム感がある）
- 文字列を データ領域に置かず、スタックへ直置きする
- macOS の syscall 番号 0x2000000 + n を
- mov eax,2 → bswap で 0x02000000 を作って or で下位ビットを足す というトリックで生成しています。
macOS（x86_64 / Mach-O）で動く読みやすいリズミカルな作品です。
ソースコード: kami2.s
# macOS（x86_64 / Mach-O）
.section __TEXT,__text
.globl _main
_main:
# 5
push $0x0a9ea5e7 # UTF-8
# 7
push $0x02000004 # write
pop %rax
push %rsp
# 5
pop %rsi
push $1
push $4
# 7
pop %rdx
pop %rdi
syscall
push $0
pop %rdi
# 7
movl $0x02000001, %eax # exit
syscall
arch -x86_64 clang kami.s
arch -x86_64 ./a.out
神
Xcodeに含まれるコマンドラインツールotoolを実行し、Mach-O形式のバイナリファイル（macOS/iOSアプリの実行ファイル）を解析します。
otool -xvj a.out
(__TEXT,__text) section
_main:
0000000100000f89 68e7a59e0a pushq $0xa9ea5e7 ## imm = 0xA9EA5E7
0000000100000f8e 6804000002 pushq $0x2000004 ## imm = 0x2000004
0000000100000f93 58 popq %rax
0000000100000f94 54 pushq %rsp
0000000100000f95 5e popq %rsi
0000000100000f96 6a01 pushq $0x1
0000000100000f98 6a04 pushq $0x4
0000000100000f9a 5a popq %rdx
0000000100000f9b 5f popq %rdi
0000000100000f9c 0f05 syscall
0000000100000f9e 6a00 pushq $0x0
0000000100000fa0 5f popq %rdi
0000000100000fa1 b801000002 movl $0x2000001, %eax ## imm = 0x2000001
0000000100000fa6 0f05 syscall
このプログラムは奇麗にシステムコールを2回呼び出して以下を実行しています。
- 標準出力（fd=1）へ UTF-8 の「神」＋改行の文字列を出力し（write）
- 終了コード0で終了します（exit）
この作品は前より読みやすくなっています。無理に小技を重ねず、syscall番号を定数で置いておく素直な書き方になっています。やっていることは同じで、4バイトの定数をmacOSのx86_64の呼び出し規約どおりに、順番にレジスタへ詰めていくだけです。
最初の push $0x0a9ea5e7 は文字列の材料をスタックに置いています。ここは前回と同じで、リトルエンディアンなのでメモリ上の並びは e7 a5 9e 0a になります。UTF-8として読むと「神」と改行です。4バイトに収まるから、長い文字列バッファを作らずに済みます。
writeの呼び出しに必要なのは rax にシステムコール番号、rdi に出力先、rsi にバッファ先頭、rdx にバイト数です。このコードは教科書通りに作っています。push $0x02000004 をして pop %rax、これでraxがwriteになります。macOSのsyscall番号はLinuxみたいに単純な1とか2とかの数字じゃなくて、0x02000000の系統を使うので、この定数がそのまま出てくるのは分かりやすいです。
push %rsp して pop %rsi で、今のスタック先頭アドレスをrsiに入れています。ここ、実は少しだけ注意が要ります。rspは「今積んだ場所」を指しているので、ここをバッファにすると決めた瞬間に、これ以上スタックをいじりたくなくなります。しかし、この後で push $1 と push $4 をしているので、スタックトップはもう文字列じゃなくなります。じゃあ、壊れてないのか、という話になると、実は壊れていません。rsiは値としては「さっきのアドレス」を握ったままで、後からpushをしても、そのアドレスの内容が書き換わらない限り問題ありません。pushは新しい領域を下に確保していくだけで、既存の4バイトを上書きするわけではないからです。ここがスタックをバッファに使うときの勘所で、下方向に伸びる性質をちゃんと信じている潔い書き方です。
次に push $1 と push $4 をして、pop %rdx、pop %rdi。ここは順番が気になりますが、スタックだからこうなります。最後に積んだ4が先にrdxへ入って、次に1がrdiへ入る。結果として rdi=1 で標準出力、rdx=4 で4バイト書き込み。さっきの「神\n」がstdoutに出ます。syscall で実行。ここまでで目的達成です。pushとpopの組み合わせのリズム感も残ります。
終わり方も素直です。push $0; pop %rdi で終了コード0をrdiに入れて、movl $0x02000001, %eax でexitのsyscall番号をeaxに入れる。movlを使っているのが地味にうまくて、eaxを書き換えるとrax上位がゼロになるので、余計なゴミを気にしなくていい。最後にsyscallで終了。
この作品の良さは、トリックが減っていて読み手の負担が軽いところです。逆に言うと、前の作品の bswap で番号を組み立てるコードは分かる人には気持ちいいけど、初見の学生にはノイズになりやすい。授業で扱うならこっちの版の方が向いています。短く書くための工夫は残しつつ、ちゃんと規約に沿っているし、何をどこに入れているかが追いやすい。アセンブリでやることは結局、引数を正しい場所に置いてsyscallするだけだ、という感覚を掴ませるにはこのコードがちょうどいいのです。
- [https://kozos.jp/asm-tanka/]
- [https://www.amazon.co.jp/dp/4839949468/]
- [https://www.slideshare.net/slideshow/asm-tankalten/43167759]
- [https://www.slideshare.net/slideshow/assembler-haiku-takesako/34496587]
- [https://tanakamura.github.io/pllp/docs/x8664_language.html]
- [https://www.felixcloutier.com/x86/]