跑了 13 种编程语言的 Hello World,可视化后有了新发现

在本文中,我们将针对 13 种不同语言编写的“Hello World”演示程序,收集并可视化各个语言的指令踪迹。注意:本文主要展示了一些图表和统计结果,如果想了解指令踪迹技术细节,请参见这篇文章(https://ncatlin.github.io/rgatPages/instrumentation/pin/2021/11/03/gathering-traces.html)。

免责声明:本文中的图表是针对每种语言在 Windows 下的编译结果或解释器,对其指令踪迹进行的可视化。这些图表都是为了测试rgat而创建的,其目的并非从时间或空间的角度评价各个语言。

640-56

方法论:测试程序是使用最新版本的 x64 编译工具,在 Windows 10 上编译 Hello World Collection 而获得的。

图表按照 Pin 工具记录的总执行指令数排序。原始的指令数使用Intel Pin Kit提供的Pintool收集,这些数字包含了Windows库中的代码。但是Windows目录下的代码不会在踪迹中显示,因此图中的指令数远远少于原始指令数。文中的“节点”指的都是特定地址上的指令,而“执行的指令”指的是指令总共被执行的次数。

我们选择的编程语言都来自 GitHub 的流行语言排行榜。

1

简介

本文的主要内容如下:

  • 介绍
  • x64 汇编(MASM)
  • C(GCC 4.8.3)
  • C++(MSVC14.29.30133,Visual Studio 社区版2019)
  • Ada(GNATStudio 社区 2021 [20210423])
  • Rust(1.56.1)
  • Delphi(EmbarcaderoDelphi 10.4 社区版)
  • Golang (go1.17.3windows/amd64) [失败]
  • AutoIt(v3,用 Aut2exe 打包成了一个 EXE)
  • Java(OpenJDK RuntimeEnvironment(build 17.0.1+12-39),用JRE直接执行)
  • C#(.NET 5,自包含的可执行文件)
  • Javascript(Node.jswindows-x64-17.1.0,用 nexe打包)
  • Python(CPython3.10, 由 PyInstaller 打包)
  • Ruby(ruby3.0.2p107, 由解释器直接执行)
  • 总结
2

x64汇编(MASM)

 

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:220,029

基本块总数:49,627

比较基准如下:

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没有特别之处,只有 11 个指令和几个 API 调用。

3

C(GCC 4.8.3)

 

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:662,569

基本块总数:151,304

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编译器给汇编指令填充了初始化栈的代码和和 C 运行时库。共计 536 个节点,执行了 1100 条指令。

4

C++(MSVC14.29.30133,Visual Studio 社区版2019)

 

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:2,413,122

基本块总数:568,565

640-295

总共 520 个节点,执行了 511 条指令。

由于 API 使用量的增加,VC++ 输出执行的指令数量更多。实际执行的代码要少于GCC的C语言输出结果。

 

5

Ada(GNATStudio 社区 2021 [20210423])

 

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:2,034,262

基本块总数:465,783

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一般来说,恶意软件作者不太喜欢使用这种语言。只是我个人比较好奇这个庞大的委员会设计的语言究竟如何。

总共 3700 个节点,执行了 55.24K 条指令。

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在标准的设置代码下面是一长串小循环。

6

Rust(1.56.1)

 

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:4,326,506

基本块总数:984,090

640-299

上述绝大多数指令都在 Windows 库的调用中,Rust 的输出非常简单。

总共 1946 个节点,执行了 2.37K 条指令。

 

7

Delphi(EmbarcaderoDelphi 10.4 社区版)

 

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:5,293,646

基本块总数:1,191,836

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Delphi的设置代码担负起了一些实际的工作。总共2013 个节点,执行 56.5K 条指令。

 

8

Golang(go1.17.3 windows/amd64) [失败]

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:? (> 5,956,506)

基本块总数:? (> 1,308,592)

Go的二进制文件逆向工程非常难,这个HelloWorld也不例外——在设置结束之前Pin就崩溃了。

尝试执行初始指令统计,结果如下:

Exception 0xc0000005 0x0 0xc000053d00 0xc000053d00PC=0xc000053d00runtime: unknown pc 0xc000053d00stack: frame={sp:0xc000053bd0, fp:0x0}stack=[0xc000052000,0xc000054000)0x000000c000053ad0: 0x0000000000000000 0x00000000000000000x000000c000053ae0: 0x0000000000000000 0x00000000000000000x000000c000053af0: 0x0000000000000000 0x00000000000000000x000000c000053b00: 0x0000000000000000 0x00000000000000000x000000c000053b10: 0x0000000000000000 0x00000000000000000x000000c000053b20: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

 rgat的 pintool 也遭遇了类似的命运,以下只是部分图:

640-300

主线程崩溃之前得到的结果。总共 2万5千个节点, 177万条指令。

640-301

9

AutoIt(v3,用 Aut2exe 打包成了一个 EXE) 

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:23,807,052

基本块总数:5,376,610

我以为执行到 2300万条指令时会出现问题,但 AutoIt 生成了非常紧凑的图形。它一定是调用了大量的 Windows API。

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总共 14,890 个节点,25.1 万条指令。圆柱图由于一个巨大的基本块而变形了。

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10

Java(OpenJDKRuntime Environment(build 17.0.1+12-39),用JRE直接执行)

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:101,474,902

基本块总数:20,404,201

Java是唯一一个生成了许多复杂线程的语言,所以形成了很多图形:

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11

C#(.NET 5,自包含的可执行文件)

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:115,535,357

基本块总数:25,272,210

与 Ruby 和 Python 相比,C#执行的指令数量相对较少。我以为这门语言比较容易跟踪处理,但最后生成的线程超过了 50 个,而且还有 28 万多个节点。

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圆柱图。从左到右分别为:控制流图、热图和节点度渲染

复杂性都集中在线程上,Pin 目前不提供访问 Windows 命名管道的安全方式,而 rgat 依赖于Windows命名管道进行通信,它需要为每个线程生成一个管道,所以实际上每个线程都有可能产生死锁。指令计数器 pintool 只能看到 12 个线程,因此它可能正常地生成了线程。

节点数量也超出了我们可以使用 Fruchterman-Reingold 创建的力导向图。

 

12

Javascript(Node.jswindows-x64-17.1.0,用 nexe打包)

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:234,399,444

基本块总数:41,162,137

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主线程的力导向图符合预期——不难想象,2.05亿条指令生成的踪迹图,如果施加一个牵引力试图让它更好看些,那就会是这个样子。图中共有36万个节点。

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热图还是很有用的。

图中未显示一些较小(更简单)的线程,如果统计进来指令数量将再增加几百万。

13

Python(CPython3.10, 由 PyInstaller 打包)

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:268,1086,59

基本块总数:39,159,539

Python的解释器虽然比较大,但跟踪起来最简单,因为所有指令都是在单个线程内执行到,而且没有 JIT 代码,最后得到的图形只有 13,483 个节点。

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Python3 的 Hello World 程序得出的力导向图,共计 2.6413 亿条指令(13,483 条唯一指令)。

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圆柱热图:针对控制台的 WriteFile 指令在最底部。

 

14

Ruby(ruby3.0.2p107, 由解释器直接执行)

原始指令总数(包括 windows 库)

指令总数:314,162,380

基本块总数:63,395,930

现代处理器处理 3.14 亿条指令只在眨眼间,但记录和绘制指令轨迹非常有难度。

Ruby是最易于使用的 JIT 语言,它的绝大多数指令都发生在单个线程中。

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针对15 万个高度连接的节点生成力导向图的标准结果。这些指令总共执行了 2.35 亿多次。为了清晰起见,返回指令对应的边和之前见过的指令对应的边都被淡化了。

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圆柱热图用绿色显示了单次执行(主要是 JIT)的代码,然后是启动解释器后出现的更多循环控制流(所有其他颜色)。

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力导向图中的 JIT 代码也有很多这样的泡泡结构,中央调度程序调用了许多微小的代码片段(内部的橙色边是返回指令),你也会看到某些类型的控制流,例如展平。

参考链接:

https://ncatlin.github.io/rgatPages/tracing/2021/11/19/visualising-hello-world.html

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THE END
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