gcc內嵌匯編簡介
在內嵌匯編中,可以將C語言表達式指定為匯編指令的操作數,而且不用去管如何將C語言表達式的值讀入哪個寄存器,以及如何將計算結果寫回C 變量,你只要告訴程序中C語言表達式與匯編指令操作數之間的對應關系即可, GCC會自動插入代碼完成必要的操作。
1、簡單的內嵌匯編
例:
__asm__ __volatile__("hlt"); "__asm__"表示后面的代碼為內嵌匯編,"asm"是"__asm__"的別名。"__volatile__"表示編譯器不要優化代碼,后面的指令保留原樣,"volatile"是它的別名。括號里面是匯編指令。
2、內嵌匯編舉例
使用內嵌匯編,要先編寫匯編指令模板,然后將C語言表達式與指令的操作數相關聯,並告訴GCC對這些操作有哪些限制條件。例如在下面的匯編語句:
__asm__ __violate__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "m" (input));
"movl %1,%0"是指令模板;"%0"和"%1"代表指令的操作數,稱為占位符,內嵌匯編靠它們將C 語言表達式與指令操作數相對應。指令模板后面用小括號括起來的是C語言表達式,本例中只有兩個:"result"和"input",他們按照出現的順序分別與指令操作數"%0","%1"對應;注意對應順序:第一個C 表達式對應"%0";第二個表達式對應"%1",依次類推,操作數至多有10 個,分別用"%0","%1"...."%9"表示。在每個操作數前面有一個用引號括起來的字符串,字符串的內容是對該操作數的限制或者說要求。"result"前面的限制字符串是"=r",其中"="表示"result"是輸出操作數,"r"表示需要將"result"與某個通用寄存器相關聯,先將操作數的值讀入寄存器,然后在指令中使用相應寄存器,而不是"result"本身,當然指令執行完后需要將寄存器中的值存入變量"result",從表面上看好像是指令直接對"result"進行操作,實際上GCC做了隱式處理,這樣我們可以少寫一些指令。"input"前面的"r"表示該表達式需要先放入某個寄存器,然后在指令中使用該寄存器參加運算。
C 表達式或者變量與寄存器的關系由GCC自動處理,我們只需使用限制字符串指導GCC如何處理即可。限制字符必須與指令對操作數的要求相匹配,否則產生的匯編代碼將會有錯,讀者可以將上例中的兩個"r",都改為"m"(m表示操作數放在內存,而不是寄存器中),編譯后得到的結果是:
movl input, result
很明顯這是一條非法指令,因此限制字符串必須與指令對操作數的要求匹配。例如指令movl允許寄存器到寄存器,立即數到寄存器等,但是不允許內存到內存的操作,因此兩個操作數不能同時使用"m"作為限定字符。
內嵌匯編語法如下:
__asm__(匯編語句模板: 輸出部分: 輸入部分: 破壞描述部分)
共四個部分:匯編語句模板,輸出部分,輸入部分,破壞描述部分,各部分使用":"格開,匯編語句模板必不可少,其他三部分可選,如果使用了后面的部分,而前面部分為空,也需要用":"格開,相應部分內容為空。例如:
__asm__ __volatile__("cli": : :"memory")
1、匯編語句模板
匯編語句模板由匯編語句序列組成,語句之間使用";"、"/n"或"/n/t"分開。指令中的操作數可以使用占位符引用C語言變量,操作數占位符最多10 個,名稱如下:%0,%1,...,%9。指令中使用占位符表示的操作數,總被視為long型(4個字節),但對其施加的操作根據指令可以是字或者字節,當把操作數當作字或者字節使用時,默認為低字或者低字節。對字節操作可以顯式的指明是低字節還是次字節。方法是在%和序號之間插入一個字母,"b"代表低字節,"h"代表高字節,例如:%h1。
2、輸出部分
輸出部分描述輸出操作數,不同的操作數描述符之間用逗號格開,每個操作數描述符由限定字符串和C 語言變量組成。每個輸出操作數的限定字符串必須包含"="表示他是一個輸出操作數。
例:
__asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x) )
描述符字符串表示對該變量的限制條件,這樣GCC 就可以根據這些條件決定如何分配寄存器,如何產生必要的代碼處理指令操作數與C表達式或C變量之間的聯系。
3、輸入部分
輸入部分描述輸入操作數,不同的操作數描述符之間使用逗號格開,每個操作數描述符由限定字符串和C語言表達式或者C語言變量組成。
例1 :
__asm__ __volatile__ ("lidt %0" : : "m" (real_mode_idt));
例二(bitops.h):
Static __inline__ void __set_bit(int nr, volatile void * addr)
{
__asm__(
"btsl %1,%0"
:"=m" (ADDR)
:"Ir" (nr));
}
后例功能是將(*addr)的第nr位設為1。第一個占位符%0與C 語言變量ADDR對應,第二個占位符%1與C語言變量nr對應。因此上面的匯編語句代碼與下面的偽代碼等價:btsl nr, ADDR,該指令的兩個操作數不能全是內存變量,因此將nr的限定字符串指定為"Ir",將nr 與立即數或者寄存器相關聯,這樣兩個操作數中只有ADDR為內存變量。
4、限制字符
4.1、限制字符列表
限制字符有很多種,有些是與特定體系結構相關,此處僅列出常用的限定字符和i386中可能用到的一些常用的限定符。它們的作用是指示編譯器如何處理其后的C語言變量與指令操作數之間的關系。
分類 限定符 描述
通用寄存器 "a" 將輸入變量放入eax
這里有一個問題:假設eax已經被使用,那怎么辦?
其實很簡單:因為GCC 知道eax 已經被使用,它在這段匯編代碼
的起始處插入一條語句pushl %eax,將eax 內容保存到堆棧,然
后在這段代碼結束處再增加一條語句popl %eax,恢復eax的內容
"b" 將輸入變量放入ebx
"c" 將輸入變量放入ecx
"d" 將輸入變量放入edx
"s" 將輸入變量放入esi
"d" 將輸入變量放入edi
"q" 將輸入變量放入eax,ebx,ecx,edx中的一個
"r" 將輸入變量放入通用寄存器,也就是eax,ebx,ecx,
edx,esi,edi中的一個
"A" 把eax和edx合成一個64 位的寄存器(use long longs)
內存 "m" 內存變量
"o" 操作數為內存變量,但是其尋址方式是偏移量類型,
也即是基址尋址,或者是基址加變址尋址
"V" 操作數為內存變量,但尋址方式不是偏移量類型
" " 操作數為內存變量,但尋址方式為自動增量
"p" 操作數是一個合法的內存地址(指針)
寄存器或內存 "g" 將輸入變量放入eax,ebx,ecx,edx中的一個
或者作為內存變量
"X" 操作數可以是任何類型
立即數
"I" 0-31之間的立即數(用於32位移位指令)
"J" 0-63之間的立即數(用於64位移位指令)
"N" 0-255之間的立即數(用於out指令)
"i" 立即數
"n" 立即數,有些系統不支持除字以外的立即數,
這些系統應該使用"n"而不是"i"
匹配 " 0 ", 表示用它限制的操作數與某個指定的操作數匹配,
"1" ... 也即該操作數就是指定的那個操作數,例如"0"
"9" 去描述"%1"操作數,那么"%1"引用的其實就
是"%0"操作數,注意作為限定符字母的0-9 與
指令中的"%0"-"%9"的區別,前者描述操作數,
后者代表操作數。
& 該輸出操作數不能使用過和輸入操作數相同的寄存器
操作數類型 "=" 操作數在指令中是只寫的(輸出操作數)
"+" 操作數在指令中是讀寫類型的(輸入輸出操作數)
浮點數 "f" 浮點寄存器
"t" 第一個浮點寄存器
"u" 第二個浮點寄存器
"G" 標准的80387浮點常數
% 該操作數可以和下一個操作數交換位置
例如addl的兩個操作數可以交換順序
(當然兩個操作數都不能是立即數)
# 部分注釋,從該字符到其后的逗號之間所有字母被忽略
* 表示如果選用寄存器,則其后的字母被忽略
5、破壞描述部分
破壞描述符用於通知編譯器我們使用了哪些寄存器或內存,由逗號格開的字符串組成,每個字符串描述一種情況,一般是寄存器名;除寄存器外還有"memory"。例如:"%eax","%ebx","memory"等。
"memory"比較特殊,可能是內嵌匯編中最難懂部分。為解釋清楚它,先介紹一下編譯器的優化知識,再看C關鍵字volatile。最后去看該描述符。
1、編譯器優化介紹
內存訪問速度遠不及CPU處理速度,為提高機器整體性能,在硬件上引入硬件高速緩存Cache,加速對內存的訪問。另外在現代CPU中指令的執行並不一定嚴格按照順序執行,沒有相關性的指令可以亂序執行,以充分利用CPU的指令流水線,提高執行速度。以上是硬件級別的優化。再看軟件一級的優化:一種是在編寫代碼時由程序員優化,另一種是由編譯器進行優化。編譯器優化常用的方法有:將內存變量緩存到寄存器;調整指令順序充分利用CPU指令流水線,常見的是重新排序讀寫指令。對常規內存進行優化的時候,這些優化是透明的,而且效率很好。由編譯器優化或者硬件重新排序引起的問題的解決辦法是在從硬件(或者其他處理器)的角度看必須以特定順序執行的操作之間設置內存屏障(memory barrier),linux 提供了一個宏解決編譯器的執行順序問題。
void Barrier(void)
這個函數通知編譯器插入一個內存屏障,但對硬件無效,編譯后的代碼會把當前CPU寄存器中的所有修改過的數值存入內存,需要這些數據的時候再重新從內存中讀出。
2、C語言關鍵字volatile
C 語言關鍵字volatile(注意它是用來修飾變量而不是上面介紹的__volatile__)表明某個變量的值可能在外部被改變,因此對這些變量的存取不能緩存到寄存器,每次使用時需要重新存取。該關鍵字在多線程環境下經常使用,因為在編寫多線程的程序時,同一個變量可能被多個線程修改,而程序通過該變量同步各個線程,例如:
DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal)
{
int* intSignal=reinterpret_cast(signal);
*intSignal=2;
while(*intSignal!=1)
sleep(1000);
return 0;
}
該線程啟動時將intSignal 置為2,然后循環等待直到intSignal 為1 時退出。顯然intSignal的值必須在外部被改變,否則該線程不會退出。但是實際運行的時候該線程卻不會退出,即使在外部將它的值改為1,看一下對應的偽匯編代碼就明白了:
mov ax,signal
label:
if(ax!=1)
goto label
對於C編譯器來說,它並不知道這個值會被其他線程修改。自然就把它cache在寄存器里面。記住,C 編譯器是沒有線程概念的!這時候就需要用到volatile。volatile 的本意是指:這個值可能會在當前線程外部被改變。也就是說,我們要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile關鍵字,這時候,編譯器知道該變量的值會在外部改變,因此每次訪問該變量時會重新讀取,所作的循環變為如下面偽碼所示:
label:
mov ax,signal
if(ax!=1)
goto label
3、Memory
有了上面的知識就不難理解Memory修改描述符了,Memory描述符告知GCC:
1)不要將該段內嵌匯編指令與前面的指令重新排序;也就是在執行內嵌匯編代碼之前,它前面的指令都執行完畢
2)不要將變量緩存到寄存器,因為這段代碼可能會用到內存變量,而這些內存變量會以不可預知的方式發生改變,因此GCC插入必要的代碼先將緩存到寄存器的變量值寫回內存,如果后面又訪問這些變量,需要重新訪問內存。
如果匯編指令修改了內存,但是GCC 本身卻察覺不到,因為在輸出部分沒有描述,此時就需要在修改描述部分增加"memory",告訴GCC 內存已經被修改,GCC 得知這個信息后,就會在這段指令之前,插入必要的指令將前面因為優化Cache 到寄存器中的變量值先寫回內存,如果以后又要使用這些變量再重新讀取。
使用"volatile"也可以達到這個目的,但是我們在每個變量前增加該關鍵字,不如使用"memory"方便
在內嵌匯編中,可以將C語言表達式指定為匯編指令的操作數,而且不用去管如何將C語言表達式的值讀入哪個寄存器,以及如何將計算結果寫回C 變量,你只要告訴程序中C語言表達式與匯編指令操作數之間的對應關系即可, GCC會自動插入代碼完成必要的操作。
1、簡單的內嵌匯編
例:
__asm__ __volatile__("hlt"); "__asm__"表示后面的代碼為內嵌匯編,"asm"是"__asm__"的別名。"__volatile__"表示編譯器不要優化代碼,后面的指令保留原樣,"volatile"是它的別名。括號里面是匯編指令。
2、內嵌匯編舉例
使用內嵌匯編,要先編寫匯編指令模板,然后將C語言表達式與指令的操作數相關聯,並告訴GCC對這些操作有哪些限制條件。例如在下面的匯編語句:
__asm__ __violate__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "m" (input));
"movl %1,%0"是指令模板;"%0"和"%1"代表指令的操作數,稱為占位符,內嵌匯編靠它們將C 語言表達式與指令操作數相對應。指令模板后面用小括號括起來的是C語言表達式,本例中只有兩個:"result"和"input",他們按照出現的順序分別與指令操作數"%0","%1"對應;注意對應順序:第一個C 表達式對應"%0";第二個表達式對應"%1",依次類推,操作數至多有10 個,分別用"%0","%1"...."%9"表示。在每個操作數前面有一個用引號括起來的字符串,字符串的內容是對該操作數的限制或者說要求。"result"前面的限制字符串是"=r",其中"="表示"result"是輸出操作數,"r"表示需要將"result"與某個通用寄存器相關聯,先將操作數的值讀入寄存器,然后在指令中使用相應寄存器,而不是"result"本身,當然指令執行完后需要將寄存器中的值存入變量"result",從表面上看好像是指令直接對"result"進行操作,實際上GCC做了隱式處理,這樣我們可以少寫一些指令。"input"前面的"r"表示該表達式需要先放入某個寄存器,然后在指令中使用該寄存器參加運算。
C 表達式或者變量與寄存器的關系由GCC自動處理,我們只需使用限制字符串指導GCC如何處理即可。限制字符必須與指令對操作數的要求相匹配,否則產生的匯編代碼將會有錯,讀者可以將上例中的兩個"r",都改為"m"(m表示操作數放在內存,而不是寄存器中),編譯后得到的結果是:
movl input, result
很明顯這是一條非法指令,因此限制字符串必須與指令對操作數的要求匹配。例如指令movl允許寄存器到寄存器,立即數到寄存器等,但是不允許內存到內存的操作,因此兩個操作數不能同時使用"m"作為限定字符。
內嵌匯編語法如下:
__asm__(匯編語句模板: 輸出部分: 輸入部分: 破壞描述部分)
共四個部分:匯編語句模板,輸出部分,輸入部分,破壞描述部分,各部分使用":"格開,匯編語句模板必不可少,其他三部分可選,如果使用了后面的部分,而前面部分為空,也需要用":"格開,相應部分內容為空。例如:
__asm__ __volatile__("cli": : :"memory")
1、匯編語句模板
匯編語句模板由匯編語句序列組成,語句之間使用";"、"/n"或"/n/t"分開。指令中的操作數可以使用占位符引用C語言變量,操作數占位符最多10 個,名稱如下:%0,%1,...,%9。指令中使用占位符表示的操作數,總被視為long型(4個字節),但對其施加的操作根據指令可以是字或者字節,當把操作數當作字或者字節使用時,默認為低字或者低字節。對字節操作可以顯式的指明是低字節還是次字節。方法是在%和序號之間插入一個字母,"b"代表低字節,"h"代表高字節,例如:%h1。
2、輸出部分
輸出部分描述輸出操作數,不同的操作數描述符之間用逗號格開,每個操作數描述符由限定字符串和C 語言變量組成。每個輸出操作數的限定字符串必須包含"="表示他是一個輸出操作數。
例:
__asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x) )
描述符字符串表示對該變量的限制條件,這樣GCC 就可以根據這些條件決定如何分配寄存器,如何產生必要的代碼處理指令操作數與C表達式或C變量之間的聯系。
3、輸入部分
輸入部分描述輸入操作數,不同的操作數描述符之間使用逗號格開,每個操作數描述符由限定字符串和C語言表達式或者C語言變量組成。
例1 :
__asm__ __volatile__ ("lidt %0" : : "m" (real_mode_idt));
例二(bitops.h):
Static __inline__ void __set_bit(int nr, volatile void * addr)
{
__asm__(
"btsl %1,%0"
:"=m" (ADDR)
:"Ir" (nr));
}
后例功能是將(*addr)的第nr位設為1。第一個占位符%0與C 語言變量ADDR對應,第二個占位符%1與C語言變量nr對應。因此上面的匯編語句代碼與下面的偽代碼等價:btsl nr, ADDR,該指令的兩個操作數不能全是內存變量,因此將nr的限定字符串指定為"Ir",將nr 與立即數或者寄存器相關聯,這樣兩個操作數中只有ADDR為內存變量。
4、限制字符
4.1、限制字符列表
限制字符有很多種,有些是與特定體系結構相關,此處僅列出常用的限定字符和i386中可能用到的一些常用的限定符。它們的作用是指示編譯器如何處理其后的C語言變量與指令操作數之間的關系。
分類 限定符 描述
通用寄存器 "a" 將輸入變量放入eax
這里有一個問題:假設eax已經被使用,那怎么辦?
其實很簡單:因為GCC 知道eax 已經被使用,它在這段匯編代碼
的起始處插入一條語句pushl %eax,將eax 內容保存到堆棧,然
后在這段代碼結束處再增加一條語句popl %eax,恢復eax的內容
"b" 將輸入變量放入ebx
"c" 將輸入變量放入ecx
"d" 將輸入變量放入edx
"s" 將輸入變量放入esi
"d" 將輸入變量放入edi
"q" 將輸入變量放入eax,ebx,ecx,edx中的一個
"r" 將輸入變量放入通用寄存器,也就是eax,ebx,ecx,
edx,esi,edi中的一個
"A" 把eax和edx合成一個64 位的寄存器(use long longs)
內存 "m" 內存變量
"o" 操作數為內存變量,但是其尋址方式是偏移量類型,
也即是基址尋址,或者是基址加變址尋址
"V" 操作數為內存變量,但尋址方式不是偏移量類型
" " 操作數為內存變量,但尋址方式為自動增量
"p" 操作數是一個合法的內存地址(指針)
寄存器或內存 "g" 將輸入變量放入eax,ebx,ecx,edx中的一個
或者作為內存變量
"X" 操作數可以是任何類型
立即數
"I" 0-31之間的立即數(用於32位移位指令)
"J" 0-63之間的立即數(用於64位移位指令)
"N" 0-255之間的立即數(用於out指令)
"i" 立即數
"n" 立即數,有些系統不支持除字以外的立即數,
這些系統應該使用"n"而不是"i"
匹配 " 0 ", 表示用它限制的操作數與某個指定的操作數匹配,
"1" ... 也即該操作數就是指定的那個操作數,例如"0"
"9" 去描述"%1"操作數,那么"%1"引用的其實就
是"%0"操作數,注意作為限定符字母的0-9 與
指令中的"%0"-"%9"的區別,前者描述操作數,
后者代表操作數。
& 該輸出操作數不能使用過和輸入操作數相同的寄存器
操作數類型 "=" 操作數在指令中是只寫的(輸出操作數)
"+" 操作數在指令中是讀寫類型的(輸入輸出操作數)
浮點數 "f" 浮點寄存器
"t" 第一個浮點寄存器
"u" 第二個浮點寄存器
"G" 標准的80387浮點常數
% 該操作數可以和下一個操作數交換位置
例如addl的兩個操作數可以交換順序
(當然兩個操作數都不能是立即數)
# 部分注釋,從該字符到其后的逗號之間所有字母被忽略
* 表示如果選用寄存器,則其后的字母被忽略
5、破壞描述部分
破壞描述符用於通知編譯器我們使用了哪些寄存器或內存,由逗號格開的字符串組成,每個字符串描述一種情況,一般是寄存器名;除寄存器外還有"memory"。例如:"%eax","%ebx","memory"等。
"memory"比較特殊,可能是內嵌匯編中最難懂部分。為解釋清楚它,先介紹一下編譯器的優化知識,再看C關鍵字volatile。最后去看該描述符。
1、編譯器優化介紹
內存訪問速度遠不及CPU處理速度,為提高機器整體性能,在硬件上引入硬件高速緩存Cache,加速對內存的訪問。另外在現代CPU中指令的執行並不一定嚴格按照順序執行,沒有相關性的指令可以亂序執行,以充分利用CPU的指令流水線,提高執行速度。以上是硬件級別的優化。再看軟件一級的優化:一種是在編寫代碼時由程序員優化,另一種是由編譯器進行優化。編譯器優化常用的方法有:將內存變量緩存到寄存器;調整指令順序充分利用CPU指令流水線,常見的是重新排序讀寫指令。對常規內存進行優化的時候,這些優化是透明的,而且效率很好。由編譯器優化或者硬件重新排序引起的問題的解決辦法是在從硬件(或者其他處理器)的角度看必須以特定順序執行的操作之間設置內存屏障(memory barrier),linux 提供了一個宏解決編譯器的執行順序問題。
void Barrier(void)
這個函數通知編譯器插入一個內存屏障,但對硬件無效,編譯后的代碼會把當前CPU寄存器中的所有修改過的數值存入內存,需要這些數據的時候再重新從內存中讀出。
2、C語言關鍵字volatile
C 語言關鍵字volatile(注意它是用來修飾變量而不是上面介紹的__volatile__)表明某個變量的值可能在外部被改變,因此對這些變量的存取不能緩存到寄存器,每次使用時需要重新存取。該關鍵字在多線程環境下經常使用,因為在編寫多線程的程序時,同一個變量可能被多個線程修改,而程序通過該變量同步各個線程,例如:
DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal)
{
int* intSignal=reinterpret_cast(signal);
*intSignal=2;
while(*intSignal!=1)
sleep(1000);
return 0;
}
該線程啟動時將intSignal 置為2,然后循環等待直到intSignal 為1 時退出。顯然intSignal的值必須在外部被改變,否則該線程不會退出。但是實際運行的時候該線程卻不會退出,即使在外部將它的值改為1,看一下對應的偽匯編代碼就明白了:
mov ax,signal
label:
if(ax!=1)
goto label
對於C編譯器來說,它並不知道這個值會被其他線程修改。自然就把它cache在寄存器里面。記住,C 編譯器是沒有線程概念的!這時候就需要用到volatile。volatile 的本意是指:這個值可能會在當前線程外部被改變。也就是說,我們要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile關鍵字,這時候,編譯器知道該變量的值會在外部改變,因此每次訪問該變量時會重新讀取,所作的循環變為如下面偽碼所示:
label:
mov ax,signal
if(ax!=1)
goto label
3、Memory
有了上面的知識就不難理解Memory修改描述符了,Memory描述符告知GCC:
1)不要將該段內嵌匯編指令與前面的指令重新排序;也就是在執行內嵌匯編代碼之前,它前面的指令都執行完畢
2)不要將變量緩存到寄存器,因為這段代碼可能會用到內存變量,而這些內存變量會以不可預知的方式發生改變,因此GCC插入必要的代碼先將緩存到寄存器的變量值寫回內存,如果后面又訪問這些變量,需要重新訪問內存。
如果匯編指令修改了內存,但是GCC 本身卻察覺不到,因為在輸出部分沒有描述,此時就需要在修改描述部分增加"memory",告訴GCC 內存已經被修改,GCC 得知這個信息后,就會在這段指令之前,插入必要的指令將前面因為優化Cache 到寄存器中的變量值先寫回內存,如果以后又要使用這些變量再重新讀取。
使用"volatile"也可以達到這個目的,但是我們在每個變量前增加該關鍵字,不如使用"memory"方便
參考文獻