跑了 13 种编程语言的 Hello World，可视化后有了新发现！

2022 年 2 月 28 日 CSDN

作者 | Nia Catlin 译者 | 弯月

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

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。

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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。

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

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：

没有特别之处，只有 11 个指令和几个 API 调用。

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

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。

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

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。

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

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。

在标准的设置代码下面是一长串小循环。

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

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。

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

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。

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：

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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

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。

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。

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。

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）。

圆柱热图：针对控制台的 WriteFile 指令在最底部。

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。

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。

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）。

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

— END—

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