C表示式中的彙編指令
阿新 • • 發佈：2019-11-13
C 表示式中的彙編指令
asm 為 gcc 中的關鍵字，asm 表示式為在 C程式碼中嵌套匯編指令，該表示式只是單純的替換出彙編程式碼，並不對彙編程式碼的含義進行解析。
asm 表示式有兩種形式，第二種 asm-qualifiers 包含了 goto 語句。
第一種形式為常見的用法，AssemblerTemplate 和 OutputOperands 必須存在, 其中 Clobbers 存在需要 InputOperands 也出現。
asm asm-qualifiers ( AssemblerTemplate : OutputOperands [ : InputOperands [ : Clobbers ] ]) asm asm-qualifiers ( AssemblerTemplate : : InputOperands : Clobbers : GotoLabels)
Qualifiers 的型別
- volatile, 避免編譯器的優化
- inline, 內斂限定符，最小的體積
- goto, 包含跳轉指令
引數
- AssemblerTemplate
- 彙編指令模板是包含彙編器指令的文字字串，編輯器替換引用輸入，編譯器不會解析該指令的含義。 - OutputOperands
- 由 AssemblerTemplate 中的指令修改的C變數的逗號分隔列表，允許使用空列表。 - InputOperands
- 由 AssemblerTemplate 中的指令讀取的C變數的逗號分隔列表，允許使用空列表。 - Clobbers
- 用逗號分隔的暫存器列表或由 AssemblerTemplate 修改的值，不能出現在 OutputOperands 和 InputOperands 中被提及，允許使用空列表。 - GotoLabels
- 當使用asm的goto形式時，此部分包含 AssemblerTemplate 中的程式碼可能跳轉到的所有C標籤的列表。
AssemblerTemplate
彙編指令由一個字串給出，多條彙編指令結合在一起使用的時候，中間以 \r\t 隔開，如
asm("inc %0\n\tinc %0" : "=r"(res) : "0"(res));
/APP
# 11 "asm.c" 1
inc %rax
inc %rax
# 0 "" 2
/NO_APPs需要轉義的字元：%, =, {, }, |
故在ATT彙編中，對暫存器進行操作的需要雙 %%, 如 inc %%rax
OutputOperands
運算元之間用逗號分隔。 每個運算元具有以下格式：
[ [asmSymbolicName] ] constraint (cvariablename)- asmSymbolicName
- 為運算元指定名稱，格式為%[name]
c // res = num asm("movq %[num], %[res]" : [res] "=r"(res) : [num] "m"(num));
- 如果未指定名稱使用數字, 從 output 域開始，第一個引數為 %0, 一次類推, 這裡的 res 為 %0, num 為 %1
c // res = num asm("movq %1, %0" : "=r"(res) : "m"(num)); - constraint
- 一個字串常量，用於指定對運算元的儲存的 約束, 需要以 "=" 或 "+" 開頭 - cvariablename
- 指定一個C左值表示式來儲存輸出，通常是一個變數名。 括號是語法的必需部分
第一個引數為增加可讀性使用的，現在我們有程式碼如下
int64_t res;
int64_t num = 1;
asm("movq %[num], %[res]" : [res] "=r"(res) : [num] "m"(num));
asm("movq %1, %0" : "=r"(res) : "m"(num));
asm("movq %1, %0" : "=m"(res) : "m"(num));
asm("movq %1, %0" : "=r"(res) : "r"(num));
// 對應的彙編程式碼, 只保留asm表示式中的程式碼
# 13 "asm.c" 1
movq -16(%rbp), %rax // asm-1
# 0 "" 2
/NO_APP
/APP
# 15 "asm.c" 1
movq -16(%rbp), %rax // asm-2
# 0 "" 2
/NO_APP
/APP
# 17 "asm.c" 1
movq -16(%rbp), -8(%rbp) // asm-3
# 0 "" 2
/NO_APP
/APP
# 19 "asm.c" 1
movq %rax, %rax // asm-4
# 0 "" 2
/NO_APP- 使用名稱替換和數字替換效果一樣，見 asm-1 和 asm-2
- 約束的用法，這裡使用比較簡單通用的的兩種情況，
r為通過暫存器定址操作，m通過記憶體定址操作，所以看到當約束了r就對應暫存器的操作。 - 結果儲存在 res 也就是 cvariablename 中
InputOperands
輸入運算元使C變數和表示式中的值可用於彙編程式碼。
[ [asmSymbolicName] ] constraint (cexpression)- asmSymbolicName 和輸出列表的用法完全一致
- constraint 約束不能使用
=和+. 可以使用 "0", 這表明在輸出約束列表中（從零開始）的條目，指定的輸入必須與輸出約束位於同一位置。
int64_t res = 3;
int64_t num = 1;
asm("addq %1, %0" : "=g"(res) : "0"(num));
// 輸入輸出位置相同
movq $3, -8(%rbp)
movq $1, -16(%rbp)
movq -16(%rbp), %rax
/APP
# 32 "asm.c" 1
addq %rax, %rax
# 0 "" 2
/NO_APP- cexpression 可以不為左值，作為彙編表示式的輸入值即可
Clobbers
破壞列表，主要用於指示編譯器生成的彙編指令。
從asm表示式中看到輸出運算元中列出條目的更改編譯器是可以確定的，但內聯彙編程式碼可能不僅對輸出進行了修改。 例如，計算可能需要其他暫存器，或者處理器可能會由於特定彙編程式指令而破壞暫存器的值。 為了將這些更改通知編譯器，在Clobber列表中列出這些會產生副作用的條目。 破壞列表條目可以是暫存器名稱，也可以是特殊的破壞列表項（在下面列出）。 每個內容列表條目都是一個字串常量，用雙引號引起來並用逗號分隔。
暫存器
```c asm volatile("movc3 %0, %1, %2" : /* No outputs. */ : "r"(from), "r"(to), "g"(count) : "%rbx", "%rcx", "%rdx", "memory"); /APP # 25 "asm.c" 1 movc3 %rax, %r8, -72(%rbp) # 0 "" 2 /NO_APP ``` 可以看到使用到了 rax 暫存器，然後修改程式在 Clobbers 增加 %rax, 結果如下 ```c asm volatile("movc3 %0, %1, %2" : /* No outputs. */ : "r"(from), "r"(to), "g"(count) : "%rax", "%rbx", "%rcx", "%rdx", "memory"); /APP # 25 "asm.c" 1 movc3 %r8, %r9, -72(%rbp) # 0 "" 2 /NO_APP ``` 編譯器在產生的彙編程式碼中就未使用 %rax 暫存器了。特殊破壞列表項
- "cc", 表示彙編程式碼修改了標誌暫存器
- "memory", 為了確保記憶體中包含正確的值，編譯器可能需要在執行asm之前將特定的暫存器值重新整理到記憶體中
編譯器為了破壞列表項的值受到破壞，當這些條目是暫存器時，不對其進行使用；為特殊引數時，重新重新整理得到最新的值。
約束
- 一些基礎的約束
| 約束名 | 說明 |
|---|---|
| whitespace | 空白字元被忽略 |
| m | 允許使用記憶體運算元，以及機器通常支援的任何型別的地址 |
| o | 允許使用記憶體運算元，但前提是地址是可偏移的 |
| V | 允許使用記憶體運算元，不可偏移的記憶體地址，與 "o'互斥 |
| r | 允許在通用暫存器中使用的暫存器運算元，其中可以指定暫存器，如 a(%rax), b(%rbx) |
| i | 允許使用立即整數運算元 |
| n | 允許使用具有已知數值的立即整數運算元, ‘I’, ‘J’, ‘K’, … ‘P’ 更應該使用 n |
| F | 允許使用浮點立即數 |
| g | 允許使用任何暫存器，記憶體或立即數整數運算元，但非通用暫存器除外 |
| X | 允許任何運算元, ‘0’, ‘1’, ‘2’, … ‘9’ |
| p | 允許使用有效記憶體地址的運算元 |
- 識別符號約束
| 識別符號 | 說明 |
|---|---|
| = | 表示此運算元是由該指令寫入的：先前的值將被丟棄並由新資料替換 |
| + | 表示該運算元由指令讀取和寫入 |
| & | 表示（在特定替代方法中）此運算元是早期指令運算元，它是在使用輸入運算元完成指令之前寫入的，故輸入運算元部分不能分配與輸出運算元相同的暫存器 |
| % | 表示該運算元與後續運算元的可交換指令 |
核心示例
- x86 的記憶體屏障指令。
// 避免編譯器的優化，宣告此處記憶體可能發生破壞
#define barrier() asm volatile("" ::: "memory")
// 在32位的CPU下，lock 指令為鎖匯流排，加上一條記憶體操作指令就達到了記憶體屏障的作用，64位的cpu已經有新增的 *fence 指令可以使用
// mb() 執行一個記憶體屏障作用的指令，為指定CPU操作；破壞列表宣告 cc memory 指示避免編譯器進行優化
#ifdef CONFIG_X86_32
#define mb() asm volatile(ALTERNATIVE("lock; addl $0,-4(%%esp)", "mfence", \
X86_FEATURE_XMM2) ::: "memory", "cc")
#define rmb() asm volatile(ALTERNATIVE("lock; addl $0,-4(%%esp)", "lfence", \
X86_FEATURE_XMM2) ::: "memory", "cc")
#define wmb() asm volatile(ALTERNATIVE("lock; addl $0,-4(%%esp)", "sfence", \
X86_FEATURE_XMM2) ::: "memory", "cc")
#else
#define mb() asm volatile("mfence":::"memory")
#define rmb() asm volatile("lfence":::"memory")
#define wmb() asm volatile("sfence" ::: "memory")
#endif- x86 下獲取 current 的值
DECLARE_PER_CPU(struct task_struct *, current_task);
#define this_cpu_read_stable(var) percpu_stable_op("mov", var)
static __always_inline struct task_struct *get_current(void)
{
return this_cpu_read_stable(current_task);
}
#define percpu_stable_op(op, var) \
({ \
typeof(var) pfo_ret__; \
switch (sizeof(var)) { \
case 8: \
asm(op "q "__percpu_arg(P1)",%0" \
: "=r" (pfo_ret__) \
: "p" (&(var))); \
break; \
} \
pfo_ret__; \
})
current_task 為一個 struct task_struct 型別的指標，追蹤巨集呼叫，在x86-64 下命中了 case 8: 的彙編程式碼， 展開的程式碼為
asm("mov" "q ""%%""gs" ":" "%" "P1"",%0" : "=r" (pfo_ret__) : "p" (&(current_task)));
// 變換一下為
asm("movq %%gs:%P1, %0" : "=r"(pfo_ret__) : "p"(&(current_task)));這行程式碼的含義為將 約束輸入部分必須為有效的地址(p約束)， 將CPU id（通過段暫存器gs和偏移通過GDT得到，這裡後文分析了）通過暫存器(r約束)賦值給 pfo_ret__.
參考
GCC文件
C語言ASM彙編內嵌語