简单的gcc内嵌汇编例分析

在内嵌汇编中，可以将C语言表达式指定为汇编指令的操作数，而且不用去管如何将C语言表达式的值读入哪个寄存器，以及如何将计算结果写回C 变量，你只要告诉程序中C语言表达式与汇编指令操作数之间的对应关系即可， GCC会自动插入代码完成必要的操作。 简单的内嵌汇编例：

__asm__ __volatile__("hlt");

"__asm__"表示后面的代码为内嵌汇编，"asm"是"__asm__"的别名。"__volatile__"表示编译器不要优化代码，后面的指令 保留原样，"volatile"是它的别名。括号里面是汇编指令。

内嵌汇编举例  

使用内嵌汇编，要先编写汇编指令模板，然后将C语言表达式与指令的操作数相关联，并告诉GCC对这些操作有哪些限制条件。 例如在下面的汇编语句： 

__asm__ __violate__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "r" (input));"movl

  %1,%0"是指令模板；"%0"和"%1"代表指令的操作数，称为占位符，内嵌汇编靠它们将C 语言表达式与指令操作数相对应。   指令模板后面用小括号括起来的是C语言表达式，本例中只有两个："result"和"input"，他们按照出现的顺序分 别与指令操作数"%0"，"%1"对应； 注意对应顺序：第一个C 表达式对应"%0"；第二个表达式对应"%1"，依次类推，操作数至多有10 个，分别"%0","%1"...."%9"表示。在每个操作数前面有一个用引号括起来的字符串，字符串的内容是对该操作数的限制或者说要求。 "result"前面的限制字符串是"=r"，其中"="表示"result"是输出操作数，"r" 表示需要将"result"与某个通用寄存器相关联，先将操作数的值读入寄存器，然后在指令中使用相应寄存器，而不是"result"本身。 当然指令执行完后需要将寄存器中的值存入变量"result"，从表面上看好像是指令直接对"result"进行操作，实际上GCC做了隐式处理，这样我们可以少写一 些指令。 "input"前面的"r"表示该表达式需要先放入某个寄存器，然后在指令中使用该寄存器参加运算。 C表达式或者变量与寄存器的关系由GCC自动处理，我们只需使用限制字符串指导GCC如何处理即可。 限制字符必须与指令对操作数的要求相匹配，否则产生的 汇编代码将会有错，读者可以将上例中的两个"r"，都改为"m"(m表示操作数放在内存，而不是寄存器中)，编译后得到的结果是：  

movl input, result

  很明显这是一条非法指令，因此限制字符串必须与指令对操作数的要求匹配。例如指令movl允许寄存器到寄存器，立即数到寄存器等，但是不允许内存到内存的操作，因此两个操作数不能同时使用"m"作为限定字符。 内嵌汇编语法如下：  

__asm__(汇编语句模板: 输出部分: 输入部分: 破坏描述部分)

  共四个部分：汇编语句模板，输出部分，输入部分，破坏描述部分，各部分使用":"格开，汇编语句模板必不可少，其他三部分可选，如果使用了后面的部分，而前面部分为空，也需要用":"格开，相应部分内容为空。 例如：

__asm__ __volatile__("cli": : :"memory")

  汇编语句模板

汇编语句模板由汇编语句序列组成，语句之间使用";"、" "或" "分开。指令中的操作数可以使用占位符引用C语言变量，操作数占位符最多10个，名称如下：%0，%1，...，%9。 指令中使用占位符表示的操作数，总被视为long型（4个字节），但对其施加的操作根据指令可以是字或者字节，当把操作数当作字或者字节使用时，默认为低字或者低字节。 对字节操作可以显式的指明是低字节还是次字节。方法是在%和序号之间插入一个字母，"b"代表低字节，"h"代表高字节，例如：%h1。  

输出部分 输出部分描述输出操作数，不同的操作数描述符之间用逗号格开，每个操作数描述符由限定字符串和C 语言变量组成。每个输出操作数的限定字符串必须包含"="表示他是一个输出操作数。 例：

__asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x) )

  描述符字符串表示对该变量的限制条件，这样GCC 就可以根据这些条件决定如何分配寄存器，如何产生必要的代码处理指令操作数与C表达式或C变量之间的联系。  

输入部分

输入部分描述输入操作数，不同的操作数描述符之间使用逗号格开，每个操作数描述符由限定字符串和C语言表达式或者C语言变量组成。 例：

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

例：

（bitops.h）：Static __inline__ void __set_bit(int nr, volatile void * addr){         __asm__("btsl %1,%0":"=m" (ADDR):"Ir" (nr));}

  上例功能是将(*addr)的第nr位设为1。第一个占位符%0与C 语言变量ADDR对应，第二个占位符%1与C语言变量nr对应。 因此上面的汇编语句代码与下面的伪代码等价：

btsl nr, ADDR

  该指令的两个操作数不能全是内存变量，因此将nr的限定字符串指定为"Ir"，将nr 与立即数或者寄存器相关联，这样两个操作数中只有ADDR为内存变量。   限制字符 限制字符有很多种，有些是与特定体系结构相关，此处仅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。它们的作用是指示编译器如何处理其后的C语言变量与指令操作数之间的关系。 限制字符列表如下：

通用寄存器       
"a" 将输入变量放入eax这里有一个问题：假设eax已经被使用，那怎么办？其实很简单：因为GCC 知道eax 已经被使用，它在这段汇编代码的起始处插入一条语句pushl %eax，将eax 内容保存到堆栈，然后在这段代码结束处再增加一条语句popl %eax，恢复eax的内容。
"b"               
将输入变量放入ebx
"c"               
将输入变量放入ecx
"d"                
将输入变量放入edx
"s"               
将输入变量放入esi
"d"               
将输入变量放入edi
"q"              
将输入变量放入eax，ebx，ecx，edx中的一个
"r"               
将输入变量放入通用寄存器，也就是eax，ebx，ecx，edx，esi，edi中的一个
"A"              
把eax和edx合成一个64 位的寄存器(use long longs)


内存
"m"             
内存变量
"o"             
操作数为内存变量，但是其寻址方式是偏移量类型，也即是基址寻址，或者是基址加变址寻址。
"V"             
操作数为内存变量，但寻址方式不是偏移量类型
" "             
操作数为内存变量，但寻址方式为自动增量
"p"             
操作数是一个合法的内存地址（指针）


寄存器或内存     
"g"             
将输入变量放入eax，ebx，ecx，edx中的一个或者作为内存变量
"X"            
操作数可以是任何类型


立即数
"I"             
0-31之间的立即数（用于32位移位指令）
"J"             
0-63之间的立即数（用于64位移位指令）
"N"             
0-255之间的立即数（用于out指令）
"i"             
立即数  
"n"            
立即数，有些系统不支持除字以外的立即数，这些系统应该使用"n"而不是"i"


匹配             
" 0 "，         
表示用它限制的操作数与某个指定的操作数匹配，
"1" ...               
也即该操作数就是指定的那个操作数，例如"0"
"9"            
去描述"％1"操作数，那么"%1"引用的其实就是"%0"操作数，注意作为限定符字母的0－9与指令中的"％0"－"％9"的区别，前者描述操作数，后者代表操作数。
&                     
该输出操作数不能使用过和输入操作数相同的寄存器


操作数类型         
"="          
操作数在指令中是只写的（输出操作数）  
"+"          
操作数在指令中是读写类型的（输入输出操作数）


浮点数             
"f"          
浮点寄存器           
"t"           
第一个浮点寄存器
"u"          
第二个浮点寄存器
"G"          
标准的80387浮点常数
%                   
该操作数可以和下一个操作数交换位置，例如addl的两个操作数可以交换顺序（当然两个操作数都不能是立即数）
#                   
部分注释，从该字符到其后的逗号之间所有字母被忽略
*                     
表示如果选用寄存器，则其后的字母被忽略

  破坏描述部分  
破坏描述符用于通知编译器我们使用了哪些寄存器或内存，由逗号格开的字符串组成，每个字符串描述一种情况，一般是寄存器名；除寄存器外还有"memory"。   例如："%eax"，"%ebx"，"memory"等。"memory"比较特殊，可能是内嵌汇编中最难懂部分。为解释清楚它，先介绍一下编译器的优化知识，再看C关键字volatile。最后去看该描述符。

  编译器优化介绍

内存访问速度远不及CPU处理速度，为提高机器整体性能，在硬件上引入硬件高速缓存Cache，加速对内存的访问。   另外在现代CPU中指令的执行并不一定 严格按照顺序执行，没有相关性的指令可以乱序执行，以充分利用CPU的指令流水线，提高执行速度。   以上是硬件级别的优化。再看软件一级的优化：一种是在编 写代码时由程序员优化，另一种是由编译器进行优化。

编译器优化常用的方法有：将内存变量缓存到寄存器；调整指令顺序充分利用CPU指令流水线，常见的是重 新排序读写指令。对常规内存进行优化的时候，这些优化是透明的，而且效率很好。   由编译器优化或者硬件重新排序引起的问题的解决办法是在从硬件（或者其他处 理器）的角度看必须以特定顺序执行的操作之间设置内存屏障（memory barrier），linux 提供了一个宏解决编译器的执行顺序问题。

void Barrier(void);

  这个函数通知编译器插入一个内存屏障，但对硬件无效，编译后的代码会把当前CPU寄存器中的所有修改过的数值存入内存，需要这些数据的时候再重新从内存中读出。
  C语言关键字volatile

  C 语言关键字volatile（注意它是用来修饰变量而不是上面介绍的__volatile__）表明某个变量的值可能在外部被改变，因此对这些变量的存取不能缓存到寄存器，每次使用时需要重新存取。   该关键字在多线程环境下经常使用，因为在编写多线程的程序时，同一个变量可能被多个线程修改，而程序通过该变 量同步各个线程。 例如：     

DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal){       int* intSignal=reinterpret_cast(signal);       *intSignal=2;       while(*intSignal!=1)                 sleep(1000);       return 0;     }

  该线程启动时将intSignal 置为2，然后循环等待直到intSignal 为1 时退出。显然intSignal的值必须在外部被改变，否则该线程不会退出。但是实际运行的时候该线程却不会退出，即使在外部将它的值改为1，看一下对应的伪汇编代码就明白了：

mov ax,signal label:     if(ax!=1)               goto label

  对于C编译器来说，它并不知道这个值会被其他线程修改。自然就把它cache在寄存器里面。记住，C 编译器是没有线程概念的！这时候就需要用到volatile。volatile 的本意是指：这个值可能会在当前线程外部被改变。   也就是说，我们要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile关键字，这时 候，编译器知道该变量的值会在外部改变，因此每次访问该变量时会重新读取，所作的循环变为如下面伪码所示：   

label:     mov ax,signal     if(ax!=1)             goto label

  Memory

有了上面的知识就不难理解Memory修改描述符了，Memory描述符告知GCC：     1）不要将该段内嵌汇编指令与前面的指令重新排序；也就是在执行内嵌汇编代码之前，它前面的指令都执行完毕。      2）不要将变量缓存到寄存器，因为这段代码可能会用到内存变量，而这些内存变量会以不可预知的方式发生改变，因此GCC插入必要的代码先将缓存到寄存器的变量值写回内存，如果后面又访问这些变量，需要重新访问内存。 如果汇编指令修改了内存，但是GCC 本身却察觉不到，因为在输出部分没有描述，此时就需要在修改描述部分增加"memory"，告诉GCC 内存已经被修改，GCC 得知这个信息后，就会在这段指令之前，插入必要的指令将前面因为优化Cache 到寄存器中的变量值先写回内存，如果以后又要使用这些变量再重新读取。 使用"volatile"也可以达到这个目的，但是我们在每个变量前增加该关键字，不如使用"memory"方便

编辑：黄飞