GCC __asm__例子

__asm__是GCC關鍵字asm的宏定義:

#define __asm__ asm

__asm__或asm用來聲明一個內聯彙編表達式,所以任何一個內聯彙編表達式都是以它開頭的,是必不可少的。

2、Instruction List

Instruction List是彙編指令序列。它可以是空的,比如:__asm__ __volatile__(""); 或__asm__ ("");都是完全合法的內聯彙編表達式,只不過這兩條語句沒有什麼意義。但並非所有Instruction List爲空的內聯彙編表達式都是沒有意義的,比如:__asm__ ("":::"memory"); 就非常有意義,它向GCC聲明:“我對內存作了改動”,GCC在編譯的時候,會將此因素考慮進去。

我們看一看下面這個例子:

$ cat example1.c

int main(int __argc, char* __argv[]) 

int* __p = (int*)__argc; 

(*__p) = 9999; 

//__asm__("":::"memory"); 

if((*__p) == 9999) 
return 5; 

return (*__p); 
}

在 這段代碼中,那條內聯彙編是被註釋掉的。在這條內聯彙編之前,內存指針__p所指向的內存被賦值爲9999,隨即在內聯彙編之後,一條if語句判斷__p 所指向的內存與9999是否相等。很明顯,它們是相等的。GCC在優化編譯的時候能夠很聰明的發現這一點。我們使用下面的命令行對其進行編譯:

$ gcc -O -S example1.c

選項-O表示優化編譯,我們還可以指定優化等級,比如-O2表示優化等級爲2;選項-S表示將C/C++源文件編譯爲彙編文件,文件名和C/C++文件一樣,只不過擴展名由.c變爲.s。

我們來查看一下被放在example1.s中的編譯結果,我們這裏僅僅列出了使用gcc 2.96在redhat 7.3上編譯後的相關函數部分彙編代碼。爲了保持清晰性,無關的其它代碼未被列出。

$ cat example1.s

main: 
pushl %ebp 
movl %esp, %ebp 
movl 8(%ebp), %eax # int* __p = (int*)__argc
movl $9999, (%eax) # (*__p) = 9999 
movl $5, %eax # return 5
popl %ebp 
ret

參 照一下C源碼和編譯出的彙編代碼,我們會發現彙編代碼中,沒有if語句相關的代碼,而是在賦值語句(*__p)=9999後直接return 5;這是因爲GCC認爲在(*__p)被賦值之後,在if語句之前沒有任何改變(*__p)內容的操作,所以那條if語句的判斷條件(*__p) == 9999肯定是爲true的,所以GCC就不再生成相關代碼,而是直接根據爲true的條件生成return 5的彙編代碼(GCC使用eax作爲保存返回值的寄存器)。

我們現在將example1.c中內聯彙編的註釋去掉,重新編譯,然後看一下相關的編譯結果。

$ gcc -O -S example1.c

$ cat example1.s

main: 
pushl %ebp 
movl %esp, %ebp 
movl 8(%ebp), %eax # int* __p = (int*)__argc
movl $9999, (%eax) # (*__p) = 9999
#APP 

# __asm__("":::"memory")
#NO_APP
cmpl $9999, (%eax) # (*__p) == 9999 ?
jne .L3 # false 
movl $5, %eax # true, return 5 
jmp .L2 
.p2align 2 
.L3: 
movl (%eax), %eax 
.L2: 
popl %ebp 
ret

由於內聯彙編語句__asm__("":::"memory")向GCC聲明,在此內聯彙編語句出現的位置內存內容可能了改變,所以GCC在編譯時就不能像剛纔那樣處理。這次,GCC老老實實的將if語句生成了彙編代碼。

可能有人會質疑:爲什麼要使用__asm__("":::"memory")向GCC聲明內存發生了變化?明明“Instruction List”是空的,沒有任何對內存的操作,這樣做只會增加GCC生成彙編代碼的數量。

確 實,那條內聯彙編語句沒有對內存作任何操作,事實上它確實什麼都沒有做。但影響內存內容的不僅僅是你當前正在運行的程序。比如,如果你現在正在操作的內存 是一塊內存映射,映射的內容是外圍I/O設備寄存器。那麼操作這塊內存的就不僅僅是當前的程序,I/O設備也會去操作這塊內存。既然兩者都會去操作同一塊 內存,那麼任何一方在任何時候都不能對這塊內存的內容想當然。所以當你使用高級語言C/C++寫這類程序的時候,你必須讓編譯器也能夠明白這一點,畢竟高 級語言最終要被編譯爲彙編代碼。
你可能已經注意到了,這次輸出的彙編結果中,有兩個符號:#APP和#NO_APP,GCC將內聯彙編語 句中"Instruction List"所列出的指令放在#APP和#NO_APP之間,由於__asm__("":::"memory")中“Instruction List”爲空,所以#APP和#NO_APP中間也沒有任何內容。但我們以後的例子會更加清楚的表現這一點。

關於爲什麼內聯彙編__asm__("":::"memory")是一條聲明內存改變的語句,我們後面會詳細討論。

剛纔我們花了大量的內容來討論"Instruction List"爲空是的情況,但在實際的編程中,"Instruction List"絕大多數情況下都不是空的。它可以有1條或任意多條彙編指令。

當 在"Instruction List"中有多條指令的時候,你可以在一對引號中列出全部指令,也可以將一條或幾條指令放在一對引號中,所有指令放在多對引號中。如果是前者,你可以將 每一條指令放在一行,如果要將多條指令放在一行,則必須用分號(;)或換行符(\n,大多數情況下\n後還要跟一個\t,其中\n是爲了換行,\t是爲了 空出一個tab寬度的空格)將它們分開。比如:

__asm__("movl %eax, %ebx 
sti 
popl %edi 
subl %ecx, %ebx"); 

__asm__("movl %eax, %ebx; sti 
popl %edi; subl %ecx, %ebx");

__asm__("movl %eax, %ebx; sti\n\t popl %edi
subl %ecx, %ebx");

都是合法的寫法。如果你將指令放在多對引號中,則除了最後一對引號之外,前面的所有引號裏的最後一條指令之後都要有一個分號(;)或(\n)或(\n\t)。比如:

__asm__("movl %eax, %ebx 
sti\n" 
"popl %edi;" 
"subl %ecx, %ebx"); 

__asm__("movl %eax, %ebx; sti\n\t" 
"popl %edi; subl %ecx, %ebx");

__asm__("movl %eax, %ebx; sti\n\t popl %edi\n"
"subl %ecx, %ebx");

__asm__("movl %eax, %ebx; sti\n\t popl %edi;" "subl %ecx, %ebx");

都是合法的。

上述原則可以歸結爲:

任意兩個指令間要麼被分號(;)分開,要麼被放在兩行; 
放在兩行的方法既可以從通過\n的方法來實現,也可以真正的放在兩行; 
可以使用1對或多對引號,每1對引號裏可以放任一多條指令,所有的指令都要被放到引號中。
在基本內聯彙編中,“Instruction List”的書寫的格式和你直接在彙編文件中寫非內聯彙編沒有什麼不同,你可以在其中定義Label,定義對齊(.align n ),定義段(.section name )。例如:

__asm__(".align 2\n\t" 
"movl %eax, %ebx\n\t" 
"test %ebx, %ecx\n\t" 
"jne error\n\t" 
"sti\n\t" 
"error: popl %edi\n\t" 
"subl %ecx, %ebx");

上面例子的格式是Linux內聯代碼常用的格式,非常整齊。也建議大家都使用這種格式來寫內聯彙編代碼。


3、__volatile__

__volatile__是GCC關鍵字volatile的宏定義:

#define __volatile__ volatile

__volatile__ 或volatile是可選的,你可以用它也可以不用它。如果你用了它,則是向GCC聲明“不要動我所寫的Instruction List,我需要原封不動的保留每一條指令”,否則當你使用了優化選項(-O)進行編譯時,GCC將會根據自己的判斷決定是否將這個內聯彙編表達式中的指 令優化掉。

那麼GCC判斷的原則是什麼?我不知道(如果有哪位朋友清楚的話,請告訴我)。我試驗了一下,發現一條內聯彙編語句如果是基本 內聯彙編的話(即只有“Instruction List”,沒有Input/Output/Clobber的內聯彙編,我們後面將會討論這一點),無論你是否使用__volatile__來修飾, GCC 2.96在優化編譯時,都會原封不動的保留內聯彙編中的“Instruction List”。但或許我的試驗的例子並不充分,所以這一點並不能夠得到保證。

爲了保險起見,如果你不想讓GCC的優化影響你的內聯彙編代碼,你最好在前面都加上__volatile__,而不要依賴於編譯器的原則,因爲即使你非常瞭解當前編譯器的優化原則,你也無法保證這種原則將來不會發生變化。而__volatile__的含義卻是恆定的。
2、帶有C/C++表達式的內聯彙編

GCC允許你通過C/C++表達式指定內聯彙編中"Instrcuction List"中指令的輸入和輸出,你甚至可以不關心到底使用哪個寄存器被使用,完全靠GCC來安排和指定。這一點可以讓程序員避免去考慮有限的寄存器的使用,也可以提高目標代碼的效率。

我們先來看幾個例子:

__asm__ (" " : : : "memory" ); // 前面提到的

__asm__ ("mov %%eax, %%ebx" : "=b"(rv) : "a"(foo) : "eax", "ebx");

__asm__ __volatile__("lidt %0": "=m" (idt_descr));

__asm__("subl %2,%0\n\t"
"sbbl %3,%1"
: "=a" (endlow), "=d" (endhigh)
: "g" (startlow), "g" (starthigh), "0" (endlow), "1" (endhigh));

怎麼樣,有點印象了吧,是不是也有點暈?沒關係,下面討論完之後你就不會再暈了。(當然,也有可能更暈^_^)。討論開始——

帶有C/C++表達式的內聯彙編格式爲:

__asm__ __volatile__("Instruction List" : Output : Input : Clobber/Modify);

從中我們可以看出它和基本內聯彙編的不同之處在於:它多了3個部分(Input,Output,Clobber/Modify)。在括號中的4個部分通過冒號(:)分開。

這4個部分都不是必須的,任何一個部分都可以爲空,其規則爲:

如 果Clobber/Modify爲空,則其前面的冒號(:)必須省略。比如__asm__("mov %%eax, %%ebx" : "=b"(foo) : "a"(inp) : )就是非法的寫法;而__asm__("mov %%eax, %%ebx" : "=b"(foo) : "a"(inp) )則是正確的。 
如果Instruction List爲空,則Input,Output,Clobber/Modify可以不爲空,也可以爲空。比如__asm__ ( " " : : : "memory" );和__asm__(" " : : );都是合法的寫法。 
如 果Output,Input,Clobber/Modify都爲空,Output,Input之前的冒號(:)既可以省略,也可以不省略。如果都省略,則 此彙編退化爲一個基本內聯彙編,否則,仍然是一個帶有C/C++表達式的內聯彙編,此時"Instruction List"中的寄存器寫法要遵守相關規定,比如寄存器前必須使用兩個百分號(%%),而不是像基本彙編格式一樣在寄存器前只使用一個百分號(%)。比如 __asm__( " mov %%eax, %%ebx" : : );__asm__( " mov %%eax, %%ebx" : )和__asm__( " mov %eax, %ebx" )都是正確的寫法,而__asm__( " mov %eax, %ebx" : : );__asm__( " mov %eax, %ebx" : )和__asm__( " mov %%eax, %%ebx" )都是錯誤的寫法。 
如果Input,Clobber/Modify爲空,但Output不爲空,Input前的冒號(:)既可以省略,也可以不省略。比如 __asm__( " mov %%eax, %%ebx" : "=b"(foo) : );__asm__( " mov %%eax, %%ebx" : "=b"(foo) )都是正確的。 
如果後面的部分不爲空,而前面的部分爲空,則前面的冒號(:)都必須保留,否則無法說 明不爲空的部分究竟是第幾部分。比如, Clobber/Modify,Output爲空,而Input不爲空,則Clobber/Modify前的冒號必須省略(前面的規則),而Output 前的冒號必須爲保留。如果Clobber/Modify不爲空,而Input和Output都爲空,則Input和Output前的冒號都必須保留。比如 __asm__( " mov %%eax, %%ebx" : : "a"(foo) )和__asm__( " mov %%eax, %%ebx" : : : "ebx" )。
從上面的規則可以看到另外一個事實,區分一個內聯彙編是基本格式的還是帶有C/C++表達式格式的,其規則在於在"Instruction List"後是否有冒號(:)的存在,如果沒有則是基本格式的,否則,則是帶有C/C++表達式格式的。

兩種格式對寄存器語法的要求不同:基本格式要求寄存器前只能使用一個百分號(%),這一點和非內聯彙編相同;而帶有C/C++表達式格式則要求寄存器前必須使用兩個百分號(%%),其原因我們會在後面討論。

1. Output

Output用來指定當前內聯彙編語句的輸出。我們看一看這個例子:

__asm__("movl %%cr0, %0": "=a" (cr0));

這 個內聯彙編語句的輸出部分爲"=r"(cr0),它是一個“操作表達式”,指定了一個輸出操作。我們可以很清楚得看到這個輸出操作由兩部分組成:括號括住 的部分(cr0)和引號引住的部分"=a"。這兩部分都是每一個輸出操作必不可少的。括號括住的部分是一個C/C++表達式,用來保存內聯彙編的一個輸出 值,其操作就等於C/C++的相等賦值cr0 = output_value,因此,括號中的輸出表達式只能是C/C++的左值表達式,也就是說它只能是一個可以合法的放在C/C++賦值操作中等號(=) 左邊的表達式。那麼右值output_value從何而來呢
括 號中的表達式cpu->db7是一個C/C++語言的表達式,它不必是一個左值表達式,也就是說它不僅可以是放在C/C++賦值操作左邊的表達式, 還可以是放在C/C++賦值操作右邊的表達式。所以它可以是一個變量,一個數字,還可以是一個複雜的表達式(比如a+b/c*d)。比如上例可以改爲: __asm__("movl %0, %%db7" : : "a" (foo)),__asm__("movl %0, %%db7" : : "a" (0x1000))或__asm__("movl %0, %%db7" : : "a" (va*vb/vc))。

引號號中的 部分是約束部分,和輸出表達式約束不同的是,它不允許指定加號(+)約束和等號(=)約束,也就是說它只能是默認的Read-Only的。約束中必須指定 一個寄存器約束,例中的字母a表示當前輸入變量cpu->db7要通過寄存器eax輸入到當前內聯彙編中。

我們看一個例子:

$ cat example4.c

int main(int __argc, char* __argv[]) 

int cr0 = 5; 

__asm__ __volatile__("movl %0, %%cr0"::"a" (cr0)); 

return 0; 
}

$ gcc -S example4.c

$ cat example4.s

main: 
pushl %ebp 
movl %esp, %ebp 
subl $4, %esp 
movl $5, -4(%ebp) # cr0 = 5 
movl -4(%ebp), %eax # %eax = cr0
#APP 
movl %eax, %cr0 
#NO_APP 
movl $0, %eax 
leave 
ret 


我們從編譯出的彙編代碼可以看到,在"Instruction List"之前,GCC按照我們的輸入約束"a",將變量cr0的內容裝入了eax寄存器。

3. Operation Constraint

每一個Input和Output表達式都必須指定自己的操作約束Operation Constraint,我們這裏來討論在80386平臺上所可能使用的操作約束。

1、寄存器約束

當你當前的輸入或輸入需要藉助一個寄存器時,你需要爲其指定一個寄存器約束。你可以直接指定一個寄存器的名字,比如:

__asm__ __volatile__("movl %0, %%cr0"::"eax" (cr0));

也可以指定一個縮寫,比如:

__asm__ __volatile__("movl %0, %%cr0"::"a" (cr0));

如果你指定一個縮寫,比如字母a,則GCC將會根據當前操作表達式中C/C++表達式的寬度決定使用%eax,還是%ax或%al。比如:

unsigned short __shrt;

__asm__ ("mov %0,%%bx" : : "a"(__shrt));

由於變量__shrt是16-bit short類型,則編譯出來的彙編代碼中,則會讓此變量使用%ex寄存器。編譯結果爲:

movw -2(%ebp), %ax # %ax = __shrt
#APP
movl %ax, %bx
#NO_APP

無論是Input,還是Output操作表達式約束,都可以使用寄存器約束。

下表中列出了常用的寄存器約束的縮寫。

約束 Input/Output 意義 
r I,O 表示使用一個通用寄存器,由GCC在%eax/%ax/%al, %ebx/%bx/%bl, %ecx/%cx/%cl, %edx/%dx/%dl中選取一個GCC認爲合適的。 
q I,O 表示使用一個通用寄存器,和r的意義相同。 
a I,O 表示使用%eax / %ax / %al 
b I,O 表示使用%ebx / %bx / %bl 
c I,O 表示使用%ecx / %cx / %cl 
d I,O 表示使用%edx / %dx / %dl 
D I,O 表示使用%edi / %di 
S I,O 表示使用%esi / %si 
f I,O 表示使用浮點寄存器 
t I,O 表示使用第一個浮點寄存器 
u I,O 表示使用第二個浮點寄存器 


2、內存約束 
如果一個Input/Output操作表達式的C/C++表達式表現爲一個內存地址,不想藉助於任何寄存器,則可以使用內存約束。比如:

__asm__ ("lidt %0" : "=m"(__idt_addr)); 或 __asm__ ("lidt %0" : :"m"(__idt_addr));

我們看一下它們分別被放在一個C源文件中,然後被GCC編譯後的結果:

$ cat example5.c

// 本例中,變量sh被作爲一個內存輸入

int main(int __argc, char* __argv[]) 

char* sh = (char*)&__argc; 

__asm__ __volatile__("lidt %0" : : "m" (sh)); 

return 0; 


$ gcc -S example5.c

$ cat example5.s

main: 
pushl %ebp 
movl %esp, %ebp 
subl $4, %esp 
leal 8(%ebp), %eax 
movl %eax, -4(%ebp) # sh = (char*) &__argc
#APP 
lidt -4(%ebp) 
#NO_APP 
movl $0, %eax 
leave 
ret 


$ cat example6.c

// 本例中,變量sh被作爲一個內存輸出

int main(int __argc, char* __argv[]) 

char* sh = (char*)&__argc; 

__asm__ __volatile__("lidt %0" : "=m" (sh)); 

return 0; 


$ gcc -S example6.c

$ cat example6.s

main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl $4, %esp
leal 8(%ebp), %eax
movl %eax, -4(%ebp) # sh = (char*) &__argc
#APP
lidt -4(%ebp)
#NO_APP
movl $0, %eax
leave
ret
首先,你會注意到,在這兩個例子中,變量sh沒有藉助任何寄存器,而是直接參與了指令lidt的操作。

其次,通過仔細觀察,你會發現一個驚人的事實,兩個例子編譯出來的彙編代碼是一樣的!雖然,一個例子中變量sh作爲輸入,而另一個例子中變量sh作爲輸出。這是怎麼回事?

原來,使用內存方式進行輸入輸出時,由於不借助寄存器,所以GCC不會按照你的聲明對其作任何的輸入輸出處理。GCC只會直接拿來用,究竟對這個C/C++表達式而言是輸入還是輸出,完全依賴與你寫在"Instruction List"中的指令對其操作的指令。

由 於上例中,對其操作的指令爲lidt,lidt指令的操作數是一個輸入型的操作數,所以事實上對變量sh的操作是一個輸入操作,即使你把它放在 Output域也不會改變這一點。所以,對此例而言,完全符合語意的寫法應該是將sh放在Input域,儘管放在Output域也會有正確的執行結果。

所 以,對於內存約束類型的操作表達式而言,放在Input域還是放在Output域,對編譯結果是沒有任何影響的,因爲本來我們將一個操作表達式放在 Input域或放在Output域是希望GCC能爲我們自動通過寄存器將表達式的值輸入或輸出。既然對於內存約束類型的操作表達式來說,GCC不會自動爲 它做任何事情,那麼放在哪兒也就無所謂了。但從程序員的角度而言,爲了增強代碼的可讀性,最好能夠把它放在符合實際情況的地方。

約束 Input/Output 意義 
m I,O 表示使用系統所支持的任何一種內存方式,不需要藉助寄存器 



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