內(nèi)聯(lián)匯編很可怕嗎？看完這篇文章，終結(jié)它！
在 Linux 代碼中，經(jīng)常可以看到在 C 代碼中，嵌入部分匯編代碼，這些代碼要么是與硬件體系相關(guān)的，要么是對(duì)性能有關(guān)鍵影響的。
在很久以前，我特別懼怕內(nèi)嵌匯編代碼，直到后來(lái)把匯編部分的短板補(bǔ)上之后，才徹底終結(jié)這種心理。
也許你在工作中，幾乎不會(huì)涉及到內(nèi)嵌匯編代碼的工作，但是一旦進(jìn)入到系統(tǒng)的底層，或者需要對(duì)時(shí)間關(guān)鍵場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，這個(gè)時(shí)候你的知識(shí)儲(chǔ)備就發(fā)揮重要作用了!
這篇文章，我們就來(lái)詳細(xì)聊一聊在 C 語(yǔ)言中，如何通過(guò) asm 關(guān)鍵字來(lái)嵌入?yún)R編語(yǔ)言代碼，文中的 8 個(gè)示例代碼從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步深入地介紹內(nèi)聯(lián)匯編的關(guān)鍵語(yǔ)法規(guī)則。
希望這篇文章能夠成為你進(jìn)階高手路上的墊腳石!
PS:
- 示例代碼中使用的是 Linux 系統(tǒng)中 AT&T 匯編語(yǔ)法;
- 文章中的 8 個(gè)示例代碼，可以在公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)【426】，即可收到下載地址;
一、基本 asm 格式
- gcc 編譯器支持 2 種形式的內(nèi)聯(lián) asm 代碼：
- 基本 asm 格式：不支持操作數(shù);
擴(kuò)展 asm 格式：支持操作數(shù);
1. 語(yǔ)法規(guī)則
asm [volatile] ("匯編指令")
- 所有指令，必須用雙引號(hào)包裹起來(lái);
- 超過(guò)一條指令，必須用\n分隔符進(jìn)行分割，為了排版，一般會(huì)加上\t;
- 多條匯編指令，可以寫(xiě)在一行，也可以寫(xiě)在多行;
- 關(guān)鍵字 asm 可以使用 asm 來(lái)替換;
- volatile 是可選的，編譯器有可能對(duì)匯編代碼進(jìn)行優(yōu)化，使用 volatile 關(guān)鍵字之后，告訴編譯器不要優(yōu)化手寫(xiě)的內(nèi)聯(lián)匯編代碼。
2. test1.c 插入空指令
- #include <stdio.h>
- int main()
- {
- asm ("nop");
- printf("hello\n");
- asm ("nop\n\tnop\n\t"
- "nop");
- return 0;
- }
注意：C語(yǔ)言中會(huì)自動(dòng)把兩個(gè)連續(xù)的字符串字面量拼接成一個(gè)，所以"nop\n\tnop\n\t" "nop"這兩個(gè)字符串會(huì)自動(dòng)拼接成一個(gè)字符串。
生成匯編代碼指令：
- gcc -m32 -S -o test1.s test1.c
test1.s 中內(nèi)容如下(只貼出了內(nèi)聯(lián)匯編代碼相關(guān)部分的代碼)：
- #APP
- # 5 "test1.c" 1
- nop
- # 0 "" 2
- #NO_APP
- // 這里是 printf 語(yǔ)句生成的代碼。
- #APP
- # 7 "test1.c" 1
- nop
- nop
- nop
- # 0 "" 2
- #NO_APP
可以看到，內(nèi)聯(lián)匯編代碼被兩個(gè)注釋(#APP ... #NO_APP)包裹起來(lái)。在源碼中嵌入了兩個(gè)匯編代碼，因此可以看到 gcc 編譯器生成的匯編代碼中包含了這兩部分代碼。
這 2 部分嵌入的匯編代碼都是空指令 nop，沒(méi)有什么意義。
3. test2.c 操作全局變量
在 C 代碼中嵌入?yún)R編指令，目的是用來(lái)計(jì)算，或者執(zhí)行一定的功能，下面我們就來(lái)看一下，如何在內(nèi)聯(lián)匯編指令中，操作全局變量。
- #include <stdio.h>
- int a = 1;
- int b = 2;
- int c;
- int main()
- {
- asm volatile ("movl a, %eax\n\t"
- "addl b, %eax\n\t"
- "movl %eax, c");
- printf("c = %d \n", c);
- return 0;
- }
關(guān)于匯編指令中編譯器的基本知識(shí)：
eax, ebx 都是 x86 平臺(tái)中的寄存器(32位)，在基本asm格式中，寄存器的前面必須加上百分號(hào)%。
32 位的寄存器 eax 可以當(dāng)做 16 位來(lái)使用(ax)，或者當(dāng)做 8 位來(lái)使用(ah, al)，本文只會(huì)按照 32 位來(lái)使用。
代碼說(shuō)明：
- movl a, %eax // 把變量a的值復(fù)制到 %eax 寄存器中;
- addl b, %eax // 把變量 b 的值 與 %eax 寄存器中的值(a)相加，結(jié)果放在 %eax 寄存器中;
- movl %eax, c // 把 %eax 寄存器中的值復(fù)制到變量 c 中;
生成匯編代碼指令：
- gcc -m32 -S -o test2.s test2.c
test2.s 內(nèi)容如下(只貼出與內(nèi)聯(lián)匯編代碼相關(guān)部分)：
- #APP
- # 9 "test2.c" 1
- movl a, %eax
- addl b, %eax
- movl %eax, c
- # 0 "" 2
- #NO_APP
可以看到，在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，可以直接使用全局變量 a, b 的名稱來(lái)操作。執(zhí)行 test2，可以得到正確的結(jié)果。
思考一個(gè)問(wèn)題：為什么在匯編代碼中，可以使用變量a, b, c?
查看 test2.s 中內(nèi)聯(lián)匯編代碼之前的部分，可以看到：
- .file "test2.c"
- .globl a
- .data
- .align 4
- .type a, @object
- .size a, 4
- a:
- .long 1
- .globl b
- .align 4
- .type b, @object
- .size b, 4
- b:
- .long 2
- .comm c,4,4
變量 a, b 被 .globl 修飾，c 被 .comm 修飾，相當(dāng)于是把它們導(dǎo)出為全局的，所以可以在匯編代碼中使用。
那么問(wèn)題來(lái)了：如果是一個(gè)局部變量，在匯編代代碼中就不會(huì)用 .globl 導(dǎo)出，此時(shí)在內(nèi)聯(lián)匯編指令中，還可以直接使用嗎?
眼見(jiàn)為實(shí)，我們把這 3 個(gè)變量放到 main 函數(shù)的內(nèi)部，作為局部變量來(lái)試一下。
4. test3.c 嘗試操作局部變量
- #include <stdio.h>
- int main()
- {
- int a = 1;
- int b = 2;
- int c;
- asm("movl a, %eax\n\t"
- "addl b, %eax\n\t"
- "movl %eax, c");
- printf("c = %d \n", c);
- return 0;
- }
生成匯編代碼指令：
- gcc -m32 -S -o test3.s test3.c
在 test3.s 中可以看到?jīng)]有 a, b, c 的導(dǎo)出符號(hào)，a 和 b 沒(méi)有其他地方使用，因此直接把他們的數(shù)值復(fù)制到棧空間中了：
- movl $1, -20(%ebp)
- movl $2, -16(%ebp)
我們來(lái)嘗試編譯成可執(zhí)行程序：
- $ gcc -m32 -o test3 test3.c
- /tmp/ccuY0TOB.o: In function `main':
- test3.c:(.text+0x20): undefined reference to `a'
- test3.c:(.text+0x26): undefined reference to `b'
- test3.c:(.text+0x2b): undefined reference to `c'
- collect2: error: ld returned 1 exit status
編譯報(bào)錯(cuò)：找不到對(duì) a,b,c 的引用!那該怎么辦，才能使用局部變量呢?擴(kuò)展 asm 格式!
二、擴(kuò)展 asm 格式
1. 指令格式
asm [volatile] ("匯編指令" : "輸出操作數(shù)列表" : "輸入操作數(shù)列表" : "改動(dòng)的寄存器")
格式說(shuō)明
- 匯編指令：與基本asm格式相同;
- 輸出操作數(shù)列表：匯編代碼如何把處理結(jié)果傳遞到 C 代碼中;
- 輸入操作數(shù)列表：C 代碼如何把數(shù)據(jù)傳遞給內(nèi)聯(lián)匯編代碼;
- 改動(dòng)的寄存器：告訴編譯器，在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，我們使用了哪些寄存器;
- “改動(dòng)的寄存器”可以省略，此時(shí)最后一個(gè)冒號(hào)可以不要，但是前面的冒號(hào)必須保留，即使輸出/輸入操作數(shù)列表為空。
關(guān)于“改動(dòng)的寄存器”再解釋一下：gcc 在編譯 C 代碼的時(shí)候，需要使用一系列寄存器;我們手寫(xiě)的內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，也使用了一些寄存器。
為了通知編譯器，讓它知道: 在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中有哪些寄存器被我們用戶使用了，可以在這里列舉出來(lái)，這樣的話，gcc 就會(huì)避免使用這些列舉出的寄存器
2. 輸出和輸入操作數(shù)列表的格式
在系統(tǒng)中，存儲(chǔ)變量的地方就2個(gè)：寄存器和內(nèi)存。因此，告訴內(nèi)聯(lián)匯編代碼輸出和輸入操作數(shù)，其實(shí)就是告訴它：
- 向哪些寄存器或內(nèi)存地址輸出結(jié)果;
- 從哪些寄存器或內(nèi)存地址讀取輸入數(shù)據(jù);
這個(gè)過(guò)程也要滿足一定的格式：
"[輸出修飾符]約束"(寄存器或內(nèi)存地址)
(1)約束
就是通過(guò)不同的字符，來(lái)告訴編譯器使用哪些寄存器，或者內(nèi)存地址。包括下面這些字符：
- a: 使用 eax/ax/al 寄存器;
- b: 使用 ebx/bx/bl 寄存器;
- c: 使用 ecx/cx/cl 寄存器;
- d: 使用 edx/dx/dl 寄存器;
- r: 使用任何可用的通用寄存器;
- m: 使用變量的內(nèi)存位置;
先記住這幾個(gè)就夠用了，其他的約束選項(xiàng)還有：D, S, q, A, f, t, u等等，需要的時(shí)候再查看文檔。
(2)輸出修飾符
顧名思義，它使用來(lái)修飾輸出的，對(duì)輸出寄存器或內(nèi)存地址提供額外的說(shuō)明，包括下面4個(gè)修飾符：
- +：被修飾的操作數(shù)可以讀取，可以寫(xiě)入;
- =：被修飾的操作數(shù)只能寫(xiě)入;
- %：被修飾的操作數(shù)可以和下一個(gè)操作數(shù)互換;
- &：在內(nèi)聯(lián)函數(shù)完成之前，可以刪除或者重新使用被修飾的操作數(shù);
語(yǔ)言描述比較抽象，直接看例子!
3. test4.c 通過(guò)寄存器操作局部變量
- #include <stdio.h>
- int main()
- {
- int data1 = 1;
- int data2 = 2;
- int data3;
- asm("movl %%ebx, %%eax\n\t"
- "addl %%ecx, %%eax"
- : "=a"(data3)
- : "b"(data1),"c"(data2));
- printf("data3 = %d \n", data3);
- return 0;
- }
有 2 個(gè)地方需要注意一下啊：
- 在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，沒(méi)有聲明“改動(dòng)的寄存器”列表，也就是說(shuō)可以省略掉(前面的冒號(hào)也不需要);
- 擴(kuò)展asm格式中，寄存器前面必須寫(xiě) 2 個(gè)%;
代碼解釋：
- "b"(data1),"c"(data2) ==> 把變量 data1 復(fù)制到寄存器 %ebx，變量 data2 復(fù)制到寄存器 %ecx。這樣，內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，就可以通過(guò)這兩個(gè)寄存器來(lái)操作這兩個(gè)數(shù)了;
- "=a"(data3) ==> 把處理結(jié)果放在寄存器 %eax 中，然后復(fù)制給變量data3。前面的修飾符等號(hào)意思是：會(huì)寫(xiě)入往 %eax 中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，不會(huì)從中讀取數(shù)據(jù);
通過(guò)上面的這種格式，內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，就可以使用指定的寄存器來(lái)操作局部變量了，稍后將會(huì)看到局部變量是如何從經(jīng)過(guò)棧空間，復(fù)制到寄存器中的。
生成匯編代碼指令：
- gcc -m32 -S -o test4.s test4.c
匯編代碼 test4.s 如下：
- movl $1, -20(%ebp)
- movl $2, -16(%ebp)
- movl -20(%ebp), %eax
- movl -16(%ebp), %edx
- movl %eax, %ebx
- movl %edx, %ecx
- #APP
- # 10 "test4.c" 1
- movl %ebx, %eax
- addl %ecx, %eax
- # 0 "" 2
- #NO_APP
- movl %eax, -12(%ebp)
可以看到，在進(jìn)入手寫(xiě)的內(nèi)聯(lián)匯編代碼之前：
- 把數(shù)字 1 通過(guò)棧空間(-20(%ebp))，復(fù)制到寄存器 %eax，再?gòu)?fù)制到寄存器 %ebx;
- 把數(shù)字 2 通過(guò)棧空間(-16(%ebp))，復(fù)制到寄存器 %edx，再?gòu)?fù)制到寄存器 %ecx;
這 2 個(gè)操作正是對(duì)應(yīng)了內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的“輸入操作數(shù)列表”部分："b"(data1),"c"(data2)。
在內(nèi)聯(lián)匯編代碼之后(#NO_APP 之后)，把 %eax 寄存器中的值復(fù)制到棧中的 -12(%ebp) 位置，這個(gè)位置正是局部變量 data3 所在的位置，這樣就完成了輸出操作。
4. test5.c 聲明改動(dòng)的寄存器
在 test4.c 中，我們沒(méi)有聲明改動(dòng)的寄存器，所以編譯器可以任意選擇使用哪些寄存器。從生成的匯編代碼 test4.s 中可以看到，gcc 使用了 %edx 寄存器。
那么我們來(lái)測(cè)試一下：告訴 gcc 不要使用 %edx 寄存器。
- #include <stdio.h>
- int main()
- {
- int data1 = 1;
- int data2 = 2;
- int data3;
- asm("movl %%ebx, %%eax\n\t"
- "addl %%ecx, %%eax"
- : "=a"(data3)
- : "b"(data1),"c"(data2)
- : "%edx");
- printf("data3 = %d \n", data3);
- return 0;
- }
代碼中，asm 指令最后部分 "%edx" ，就是用來(lái)告訴 gcc 編譯器：在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，我們會(huì)使用到 %edx 寄存器，你就不要用它了。
生成匯編代碼指令：
- gcc -m32 -S -o test5.s test5.c
來(lái)看一下生成的匯編代碼 test5.s：
- movl $1, -20(%ebp)
- movl $2, -16(%ebp)
- movl -20(%ebp), %eax
- movl -16(%ebp), %ecx
- movl %eax, %ebx
- #APP
- # 10 "test5.c" 1
- movl %ebx, %eax
- addl %ecx, %eax
- # 0 "" 2
- #NO_APP
- movl %eax, -12(%ebp)
可以看到，在內(nèi)聯(lián)匯編代碼之前，gcc 沒(méi)有選擇使用寄存器 %edx。
三、使用占位符來(lái)代替寄存器名稱
在上面的示例中，只使用了 2 個(gè)寄存器來(lái)操作 2 個(gè)局部變量，如果操作數(shù)有很多，那么在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中去寫(xiě)每個(gè)寄存器的名稱，就顯得很不方便。
因此，擴(kuò)展 asm 格式為我們提供了另一種偷懶的方法，來(lái)使用輸出和輸入操作數(shù)列表中的寄存器：占位符!
占位符有點(diǎn)類似于批處理腳本中，利用 2...來(lái)引用輸入?yún)?shù)一樣，內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的占位符，從輸出操作數(shù)列表中的寄存器開(kāi)始從 0 編號(hào)，一直編號(hào)到輸入操作數(shù)列表中的所有寄存器。
還是看例子比較直接!
1. test6.c 使用占位符代替寄存器
- #include <stdio.h>
- int main()
- {
- int data1 = 1;
- int data2 = 2;
- int data3;
- asm("addl %1, %2\n\t"
- "movl %2, %0"
- : "=r"(data3)
- : "r"(data1),"r"(data2));
- printf("data3 = %d \n", data3);
- return 0;
- }
代碼說(shuō)明：
- 輸出操作數(shù)列表"=r"(data3)：約束使用字符 r, 也就是說(shuō)不指定寄存器，由編譯器來(lái)選擇使用哪個(gè)寄存器來(lái)存儲(chǔ)結(jié)果，最后復(fù)制到局部變量 data3中;
- 輸入操作數(shù)列表"r"(data1),"r"(data2)：約束字符r, 不指定寄存器，由編譯器來(lái)選擇使用哪 2 個(gè)寄存器來(lái)接收局部變量 data1 和 data2;
- 輸出操作數(shù)列表中只需要一個(gè)寄存器，因此在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的 %0 就代表這個(gè)寄存器(即：從 0 開(kāi)始計(jì)數(shù));
- 輸入操作數(shù)列表中有 2 個(gè)寄存器，因此在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的 %1 和 %2 就代表這 2 個(gè)寄存器(即：從輸出操作數(shù)列表的最后一個(gè)寄存器開(kāi)始順序計(jì)數(shù));
生成匯編代碼指令：
- gcc -m32 -S -o test6.s test6.c
匯編代碼如下 test6.s：
- movl $1, -20(%ebp)
- movl $2, -16(%ebp)
- movl -20(%ebp), %eax
- movl -16(%ebp), %edx
- #APP
- # 10 "test6.c" 1
- addl %eax, %edx
- movl %edx, %eax
- # 0 "" 2
- #NO_APP
- movl %eax, -12(%ebp)
可以看到，gcc 編譯器選擇了 %eax 來(lái)存儲(chǔ)局部變量 data1，%edx 來(lái)存儲(chǔ)局部變量 data2 ，然后操作結(jié)果也存儲(chǔ)在 %eax 寄存器中。
是不是感覺(jué)這樣操作就方便多了?不用我們來(lái)指定使用哪些寄存器，直接交給編譯器來(lái)選擇。
在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，使用 %0、%1 、%2 這樣的占位符來(lái)使用寄存器。
別急，如果您覺(jué)得使用編號(hào)還是麻煩，容易出錯(cuò)，還有另一個(gè)更方便的操作：擴(kuò)展 asm 格式還允許給這些占位符重命名，也就是給每一個(gè)寄存器起一個(gè)別名，然后在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中使用別名來(lái)操作寄存器。
還是看代碼!
2. test7.c 給寄存器起別名
- #include <stdio.h>
- int main()
- {
- int data1 = 1;
- int data2 = 2;
- int data3;
- asm("addl %[v1], %[v2]\n\t"
- "movl %[v2], %[v3]"
- : [v3]"=r"(data3)
- : [v1]"r"(data1),[v2]"r"(data2));
- printf("data3 = %d \n", data3);
- return 0;
- }
代碼說(shuō)明：
- 輸出操作數(shù)列表：給寄存器(gcc 編譯器選擇的)取了一個(gè)別名 v3;
- 輸入操作數(shù)列表：給寄存器(gcc 編譯器選擇的)取了一個(gè)別名 v1 和 v2;
起立別名之后，在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中就可以直接使用這些別名( %[v1], %[v2], %[v3])來(lái)操作數(shù)據(jù)了。
生成匯編代碼指令：
- gcc -m32 -S -o test7.s test7.c
再來(lái)看一下生成的匯編代碼 test7.s：
- movl $1, -20(%ebp)
- movl $2, -16(%ebp)
- movl -20(%ebp), %eax
- movl -16(%ebp), %edx
- #APP
- # 10 "test7.c" 1
- addl %eax, %edx
- movl %edx, %eax
- # 0 "" 2
- #NO_APP
- movl %eax, -12(%ebp)
這部分的匯編代碼與 test6.s 中完全一樣!
四、使用內(nèi)存位置
在以上的示例中，輸出操作數(shù)列表和輸入操作數(shù)列表部分，使用的都是寄存器(約束字符：a, b, c, d, r等等)。
我們可以指定使用哪個(gè)寄存器，也可以交給編譯器來(lái)選擇使用哪些寄存器，通過(guò)寄存器來(lái)操作數(shù)據(jù)，速度會(huì)更快一些。
如果我們?cè)敢獾脑挘部梢灾苯邮褂米兞康膬?nèi)存地址來(lái)操作變量，此時(shí)就需要使用約束字符 m。
1. test8.c 使用內(nèi)存地址來(lái)操作數(shù)據(jù)
- #include <stdio.h>
- int main()
- {
- int data1 = 1;
- int data2 = 2;
- int data3;
- asm("movl %1, %%eax\n\t"
- "addl %2, %%eax\n\t"
- "movl %%eax, %0"
- : "=m"(data3)
- : "m"(data1),"m"(data2));
- printf("data3 = %d \n", data3);
- return 0;
- }
代碼說(shuō)明：
- 輸出操作數(shù)列表 "=m"(data3)：直接使用變量 data3 的內(nèi)存地址;
- 輸入操作數(shù)列表 "m"(data1),"m"(data2)：直接使用變量 data1, data2 的內(nèi)存地址;
在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，因?yàn)樾枰M(jìn)行相加計(jì)算，因此需要使用一個(gè)寄存器(%eax)，計(jì)算這個(gè)環(huán)節(jié)是肯定需要寄存器的。
在操作那些內(nèi)存地址中的數(shù)據(jù)時(shí)，使用的仍然是按順序編號(hào)的占位符。
生成匯編代碼指令：
- gcc -m32 -S -o test8.s test8.c
生成的匯編代碼如下 test8.s：
- movl $1, -24(%ebp)
- movl $2, -20(%ebp)
- #APP
- # 10 "test8.c" 1
- movl -24(%ebp), %eax
- addl -20(%ebp), %eax
- movl %eax, -16(%ebp)
- # 0 "" 2
- #NO_APP
- movl -16(%ebp), %eax
可以看到：在進(jìn)入內(nèi)聯(lián)匯編代碼之前，把 data1 和 data2 的值放在了棧中，然后直接把棧中的數(shù)據(jù)與寄存器 %eax 進(jìn)行操作，最后再把操作結(jié)果(%eax)，復(fù)制到棧中 data3 的位置(-16(%ebp))。
五、總結(jié)
通過(guò)以上 8 個(gè)示例，我們把內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的關(guān)鍵語(yǔ)法規(guī)則進(jìn)行了講解，有了這個(gè)基礎(chǔ)，就可以在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中編寫(xiě)更加復(fù)雜的指令了。
