AT&T汇编语言与GCC内嵌汇编简介

AT&T汇编语言与GCC内嵌汇编简介 版本 0.1 时间04/3/30EMAIL chforest_chang@hotmail.com 1 AT&T 与INTEL的汇编语言语法的区别1.1大小写1.2操作数赋值方向1.3前缀1.4间接寻址语法1.5后缀1.6指令 2 GCC内嵌汇编2.1简介2.2内嵌汇编举例2.3语法2.3.1汇编语句模板2.3.2输出部分2.3.3输入部分2.3.4限制字符2.3.5破坏描述部分2.4GCC如何编译内嵌汇编代码 3后记 本节先介绍AT&T汇编语言语法与INTEL汇编语法的差别，然后介绍GCC内嵌汇编语法。阅读本节需要读者具有INTEL汇编语言基础。 1 AT&T 与INTEL的汇编语言语法的区别 1.1 指令大小写INTEL格式的指令使用大写字母，而AT&T格式的使用小写字母。例：INTEL AT&TMOV EAX,EBX movl %ebx,%eax1.2 指令操作数赋值方向 在INTEL语法中，第一个表示目的操作数，第二个表示源操作数，赋值方向从右向左。 AT&T语法第一个为源操作数，第二个为目的操作数，方向从左到右，合乎自然。 例：INTEL AT&TMOV EAX,EBX movl %ebx,%eax1.3 指令前缀在INTEL语法中寄存器和立即数不需要前缀； AT&T中寄存器需要加前缀“%”；立即数需要加前缀“$”。 例： INTEL AT&TMOV EAX,1 movl$1,%eax 符号常数直接引用，不需要加前缀，如：movl value , %ebxvalue为一常数；在符号前加前缀 $, 表示引用符号地址, 如movl $value, %ebx是将value的地址放到ebx中。 总线锁定前缀“lock”：总线锁定操作。“lock”前缀在Linux核心代码中使用很多，特别是SMP代码中。当总线锁定后其它CPU不能存取锁定地址处的内存单元。 远程跳转指令和子过程调用指令的操作码使用前缀“l“，分别为ljmp，lcall，与之相应的返回指令伪lret。例： INTEL AT&T CALL FAR SECTION:OFFSET lcall $secion:$offset JMP FAR SECTION:OFFSET ljmp $secion:$offset RET FAR SATCK_ADJUST lret $stack_adjust 1.4 间接寻址语法 INTEL中基地址使用“[”、“]”，而在AT&T“(”、“)”；另外处理复杂操作数的语法也不同，INTEL为Segreg:[base+index*scale+disp]，而在AT&T中为%segreg:disp(base,index,sale)，其中segreg，index,scale，disp都是可选的，在指定index而没有显式指定Scale的情况下使用默认值1。Scale,disp不需要加前缀“&”。 INTEL AT&TInstr foo,segreg:[base+index*scale+disp] instr %segreg:disp(base,index,scale),foo 1.5 指令后缀 AT&T语法中大部分指令操作码的最后一个字母表示操作数大小，“b”表示byte（一个字节）；“w”表示word（2，个字节）；“l”表示long（4，个字节）。INTEL中处理内存操作数时也有类似的语法如：BYTE PTR、WORD PTR、DWORD PTR。 例： INTEL AT&T mov al, bl movb %bl,%al mov ax,bx movw %bx,%ax mov eax, dwordptr [ebx] movl (%ebx), %eax AT&T汇编指令中，操作数扩展指令有两个后缀，一个指定源操作数的字长，另一个指定目标操作数的字长。AT&T的符号扩展指令的为“movs”，零扩展指令为“movz”（相应的Intel指令为“movsx”和“movzx”）。因此，“movsbl%al,%edx”表示对寄存器al中的字节数据进行字节到长字的符号扩展，计算结果存放在寄存器edx中。下面是一些允许的操作数扩展后缀： l bl: ，字节->长字 l bw: ，字节->字 l wl: ，字 ->长字 跳转指令标号后的后缀表示跳转方向，“f”表示向前（forward），“b，”表示向后（back）。例： jmp 1fjmp 1f 1.6 指令INTEL汇编与AT&T汇编指令基本相同，差别仅在语法上。关于每条指令的语法可以参考I386Manual。 2 GCC内嵌汇编 2.1 简介 内核代码绝大部分使用C语言编写，只有一小部分使用汇编语言编写，例如与特定体系结构相关的代码和对性能影响很大的代码。GCC提供了内嵌汇编的功能，可以在C代码中直接内嵌汇编语言语句，大大方便了程序设计。 简单的内嵌汇编很容易理解 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。 2.2 内嵌汇编举例在内嵌汇编中，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。 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) : "m" (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，分别用“%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。 我们将上面的内嵌代码放到一个C源文件中，然后使用gcc –c–S得到该C文件源代码相对应的汇编代码，然后查看一下汇编代码，看看GCC是如何处理的。 C源文件如下内容如下，注意该代码没有实际意义，仅仅作为例子。 extern int input,result; void test(void) { input = 1; __asm__ __volatile__("movl %1,%0" : "=r"(result) : "r" (input)); return ; } 对应的汇编代码如下; 行号 代码 解释 1 7 8 movl $1, input 对应C语言语句input = 1; 9 input, %eax 10 #APP GCC插入的注释，表示内嵌汇编开始 11 movl %eax,%eax 我们的内嵌汇编语句 12 #NO_APP GCC 插入的注释，表示内嵌汇编结束 13 movl %eax, result 将结果存入result变量 14 － 18 从汇编代码可以看出，第9行和第13行是GCC，自动增加的代码，GCC根据限定字符串决定如何处理C表达式，本例两个表达式都被指定为“r”型，所以先使用指令：movl input, %eax 将input读入寄存器%eax；GCC，也指定一个寄存器与输出变量result相关，本例也是%eax，等得到操作结果后再使用指令： movl %eax, result 将寄存器的值写回C变量result中。从上面的汇编代码我们可以看出与result和input，相关连的寄存器都是%eax，GCC使用%eax，替换内嵌汇编指令模板中的%0，%1 movl %eax,%eax显然这一句可以不要。但是没有优化，所以这一句没有被去掉。 由此可见，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。 2.3 语法 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") 2.3.1 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“;”、“\n”或“\n\t”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。 2.3.2 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。 2.3.3 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。 2.3.4 限制字符2.3.4.1 限制字符列表限制字符有很多种，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，例如是将变量放在寄存器中还是放在内存中等，下表列出了常用的限定字母。 分类 限定符 描述 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(uselong longs) “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”，“1 ，”... “9 ” 表示用它限制的操作数与某个指定的操作数匹配，也即该操作数就是指定的那个操作数， 例如用“0 ”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。 后面有详细描述 & 该输出操作数不能使用过和输入操作数相同的寄存器 后面有详细描述 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 现在继续看上面的例子，"=m" (ADDR)表示ADDR为内存变量（“m”），而且是输出变量（“=”）；"Ir" (nr)表示nr，为0－31之间的立即数（“I”）或者一个寄存器操作数（“r”）。 2.3.4.2 匹配限制符 I386指令集中许多指令的操作数是读写型的（读写型操作数指先读取原来的值然后参加运算，最后将结果写回操作数），例如addl %1,%0，它的作用是将操作数%0与操作数%1的和存入操作数%0，因此操作数%0是读写型操作数。老版本的GCC对这种类型操作数的支持不是很好，它将操作数严格分为输入和输出两种，分别放在输入部分和输出部分，而没有一个单独部分描述读写型操作数，因此在GCC中读写型的操作数需要在输入和输出部分分别描述，靠匹配限制符将两者关联到一起注意仅在输入和输出部分使用相同的C变量，但是不用匹配限制符，产生的代码很可能不对，后面会分析原因。 匹配限制符是一位数字：“0”、“1”……“9，”，分别表示它限制的C表达式分别与占位符%0，%1，……%9对应的C变量匹配。例如使用“0”作为%1，的限制字符，那么%0和％1表示同一个C，变量。 看一下下面的代码就知道为什么要将读写型操作数，分别在输入和输出部分加以描述。 该例功能是求input+result的和，然后存入result： extern intinput,result; void test_at_t() { result= 0; input = 1; __asm__ __volatile__ ("addl %1,%0":"=r"(result):"r"(input)); } 对应的汇编代码为： movl $0,_result movl $1,_input movl _input,%edx /APP addl %edx,%eax /NO_APP movl %eax,%edx movl %edx,_result input 为输入型变量，而且需要放在寄存器中，GCC给它分配的寄存器是%edx，在执行addl之前%edx，的内容已经是input的值。可见对于使用“r”限制的输入型变量或者表达式，在使用之前GCC会插入必要的代码将他们的值读到寄存器；“m”型变量则不需要这一步。读入input后执行addl，显然%eax的值不对，需要先读入result的值才行。再往后看：movl%eax,%edx和movl %edx,_result的作用是将结果存回result，分配给result的寄存器与分配给input的一样，都是%edx。 综上可以总结出如下几点： 1. 使用“r”限制的输入变量，GCC先分配一个寄存器，然后将值读入寄存器，最后 用该寄存器替换占位符； 2. 使用“r”限制的输出变量，GCC会分配一个寄存器，然后用该寄存器替换占位符， 但是在使用该寄存器之前并不将变量值先读入寄存器，GCC认为所有输出变量以前的 值都没有用处，不读入寄存器（可能是因为AT&T汇编源于CISC架构处理器的汇编语言 ，在CISC处理器中大部分指令的输入输出明显分开，而不像RISC那样一个操作数既 做输入又做输出，例如add r0,r1,r2，r0，和r1是输入，r2是输出，输入和输出分开， 没有使用输入输出型操作数，这样我们就可以认为r2对应的操作数原来的值没有用处， 也就没有必要先将操作数的值读入r2，因为这是浪费处理器的CPU周期），最后GCC插入代码， 将寄存器的值写回变量； 3. 输入变量使用的寄存器在最后一处使用它的指令之后，就可以挪做其他用处，因为已经不再使用。例如上例中的%edx。在执行完addl之后就作为与result对应的寄存器。 因为第二条，上面的内嵌汇编指令不能奏效，因此需要在执行addl之前把result的值读入寄存器，也许再将result放入输入部分就可以了（因为第一条会保证将result先读入寄存器）。修改后的指令如下（为了更容易说明问题将input限制符由“r，”改为“m”）： extern intinput,result; void test_at_t() { result = 0; input = 1; __asm__ __volatile__("addl %2,%0":"=r"(result):"r"(result),"m"(input)); } 看上去上面的代码可以正常工作，因为我们知道%0和%1都和result相关，应该使用同一个寄存器，但是GCC并不去判断%0和%1，是否和同一个C表达式或变量相关联（这样易于产生与内嵌汇编相应的汇编代码），因此%0和%1使用的寄存器可能不同。我们看一下汇编代码就知道了。 movl $0,_result movl $1,_input movl _result,%edx /APP addl _input,%eax /NO_APP movl %eax,%edx movl %edx,_result 现在在执行addl之前将result的值被读入了寄存器%edx，但是addl指令的操作数%0却成了%eax，而不是%edx，与预料的不同，这是因为GCC给输出和输入部分的变量分配了不同的寄存器，GCC没有去判断两者是否都与result相关，后面会讲GCC如何翻译内嵌汇编，看完之后就不会惊奇啦。 使用匹配限制符后，GCC知道应将对应的操作数放在同一个位置（同一个寄存器或者同一个内存变量）。使用匹配限制字符的代码如下： extern intinput,result; void test_at_t() { result = 0; input = 1; __asm__ __volatile__ ("addl %2,%0":"=r"(result):"0"(result),"m"(input)); } 输入部分中的result用匹配限制符“0”限制，表示%1与％0，代表同一个变量， 输入部分说明该变量的输入功能，输出部分说明该变量的输出功能，两者结合表示result是读写型。因为%0和%1，表示同一个C变量，所以放在相同的位置，无论是寄存器还是内存。 相应的汇编代码为： movl $0,_result movl $1,_input movl _result,%edx movl %edx,%eax /APP addl _input,%eax /NO_APP movl %eax,%edx movl %edx,_result 可以看到与result相关的寄存器是%edx，在执行指令addl之前先从%edx将result读入%eax，执行之后需要将结果从%eax读入%edx，最后存入result中。这里我们可以看出GCC处理内嵌汇编中输出操作数的一点点信息：addl并没有使用%edx，可见它不是简单的用result对应的寄存器%edx去替换%0，而是先分配一个寄存器，执行运算，最后才将运算结果存入对应的变量，因此GCC是先看该占位符对应的变量的限制符，发现是一个输出型寄存器变量，就为它分配一个寄存器，此时没有去管对应的C变量，最后GCC，知道还要将寄存器的值写回变量，与此同时，它发现该变量与%edx关联，因此先存入%edx，再存入变量。 至此读者应该明白了匹配限制符的意义和用法。在新版本的GCC中增加了一个限制字符“+”，它表示操作数是读写型的，GCC知道应将变量值先读入寄存器，然后计算，最后写回变量，而无需在输入部分再去描述该变量。 例; extern intinput,result; void test_at_t() { result = 0; input = 1; __asm__ __volatile__("addl %1,%0":"+r"(result):"m"(input)); } 此处用“+”替换了“=”，而且去掉了输入部分关于result的描述，产生的汇编代码如下： movl $0,_result movl $1,_input movl _result,%eax /APP addl _input,%eax /NO_APP movl %eax,_result L2: movl %ebp,%esp 处理的比使用匹配限制符的情况还要好，省去了好几条汇编代码。 2.3.4.3 “&”限制符 限制符“&”在内核中使用的比较多，它表示输入和输出操作数不能使用相同的寄存器，这样可以避免很多错误。 举一个例子，下面代码的作用是将函数foo的返回值存入变量ret中： __asm__ ( “callfoo;movl %%edx,%1”,:”=a”(ret) : ”r”(bar) ); 我们知道函数的int型返回值存放在%eax中，但是gcc编译的结果是输入和输出同时使用了寄存器%eax，如下： movl bar, %eax #APP call foo movl %ebx,%eax #NO_APP movl %eax, ret 结果显然不对，原因是GCC并不知道%eax中的值是我们所要的。避免这种情况的方法是使用“&”限定符，这样bar就不会再使用%eax寄存器，因为已被ret指定使用。 _asm__ ( “callfoo;movl %%edx,%1”,:”=&a”(ret): ”r”(bar) ); 2.3.5 破坏描述部分 2.3.5.1 寄存器破坏描述符 通常编写程序只使用一种语言：高级语言或者汇编语言。高级语言编译的步骤大致如下：l 预处理；l 编译l 汇编l 链接 我们这里只关心第二步编译（将C代码转换成汇编代码）：因为所有的代码都是用高级语言编写，编译器可以识别各种语句的作用，在转换的过程中所有的寄存器都由编译器决定如何分配使用，它有能力保证寄存器的使用不会冲突；也可以利用寄存器作为变量的缓冲区，因为寄存器的访问速度比内存快很多倍。如果全部使用汇编语言则由程序员去控制寄存器的使用，只能靠程序员去保证寄存器使用的正确性。但是如果两种语言混用情况就变复杂了，因为内嵌的汇编代码可以直接使用寄存器，而编译器在转换的时候并不去检查内嵌的汇编代码使用了哪些寄存器（因为很难检测汇编指令使用了哪些寄存器，例如有些指令隐式修改寄存器，有时内嵌的汇编代码会调用其他子过程，而子过程也会修改寄存器），因此需要一种机制通知编译器我们使用了哪些寄存器（程序员自己知道内嵌汇编代码中使用了哪些寄存器），否则对这些寄存器的使用就有可能导致错误，修改描述部分可以起到这种作用。当然内嵌汇编的输入输出部分指明的寄存器或者指定为“r”，“g”型由编译器去分配的寄存器就不需要在破坏描述部分去描述，因为编译器已经知道了。 破坏描述符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。 下面看个例子就很清楚为什么需要通知GCC内嵌汇编代码中隐式（称它为隐式是因为GCC并不知道）使用的寄存器。 在内嵌的汇编指令中可能会直接引用某些寄存器，我们已经知道AT&T格式的汇编语言中，寄存器 名以“%”作为前缀，为了在生成的汇编程序中保留这个“%”号，在asm语句中对寄存器的 引用必须用“%%”作为寄存器名称的前缀。原因是“%”在asm，内嵌汇编语句中的作用与“\”在C语言中的作用相同，因此“%%”转换后代表“%”。 例（没有使用修改描述符）： intmain(void) { int input,output,temp; input = 1; __asm____volatile__ ("movl $0, %%eax;\n\t movl %%eax, %1;\n\t movl %2, %%eax;\n\t movl %%eax,%0;\n\t" :"=m"(output),"=m"(temp) /* output */ :"r"(input) /* input*/ ); return 0; } 这段代码使用%eax作为临时寄存器，功能相当于C代码：“temp = 0;output=input”， 对应的汇编代码如下： movl $1,-4(%ebp) movl-4(%ebp),%eax /APP movl $0, %eax; movl %eax,-12(%ebp); movl %eax,%eax; movl %eax,-8(%ebp); /NO_APP 显然GCC给input分配的寄存器也是%eax，发生了冲突，output的值始终为0，而不是input。 使用破坏描述后的代码： int main(void) { int input,output,temp; input = 1; __asm____volatile__ ( "movl $0, %%eax;\n\t movl %%eax, %1;\n\t movl %2, %%eax;\n\t movl %%eax, %0;\n\t" :"=m"(output),"=m"(temp) /* output */ :"r"(input) /* input*/ :"eax"); /* 描述符 */ return 0; } 对应的汇编代码： movl$1,-4(%ebp) movl -4(%ebp),%edx /APP movl $0, %eax; movl %eax, -12(%ebp); movl %edx, %eax; movl %eax, -8(%ebp); /NO_APP 通过破坏描述部分，GCC得知%eax已被使用，因此给input分配了%edx。在使用内嵌汇编时请记住一点：尽量告诉GCC尽可能多的信息，以防出错。 如果你使用的指令会改变CPU的条件寄存器cc，需要在修改描述部分增加“cc”。 2.3.5.2 memory破坏描述符 “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。 2.3.5.2.1 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。 2.3.5.2.2 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 __stdcallthreadFunc(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 2.3.5.2.3 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。 例： ……….. Char test[100]; char a; char c; c = 0; test[0] = 1; …….. a = test [0]; …… __asm__( "cld\n\t" "rep\n\t" "stosb" : /* no output */ : "a"(c),"D" (test),"c" (100) : "cx","di","memory"); ………. // 我们知道test[0] 已经修改，所以重新读取 a=test[0]; …… 这段代码中的汇编指令功能与memset相当，也就是相当于调用了memset(test,0,100)；它使用stosb修改了test数组的内容，但是没有在输入或输出部分去描述操作数，因为这两条指令都不需要显式的指定操作数，因此需要增加“memory”通知GCC。现在假设：GCC在优化时将test[0]放到了%eax寄存器，那么test[0] = 1对应于%eax=1，a = test [0]被换为a=%eax，如果在那段汇编指令中不使用“memory”，Gcc，不知道现在test[0]的值已经被改变了（如果整段代码都是我们自己使用汇编编写，我们自己当然知道这些内存的修改情况，我们也可以人为的去优化，但是现在除了我们编写的那一小段外，其他汇编代码都是GCC生成的，它并没有那么智能，知道这段代码会修改test[0]），结果其后的a=test[0]，转换为汇编后却是a=%eax，因为GCC不知道显式的改变了test数组，结果出错了。如果增加了“memory”修饰符，GCC知道：“这段代码修改了内存，但是也仅此而已，它并不知道到底修改了哪些变量”，因此他将以前因优化而缓存到寄存器的变量值全部写回内存，从内嵌汇编开始，如果后面的代码又要存取这些变量，则重新存取内存（不会将读写操作映射到以前缓存的那个寄存器）。这样上面那段代码最后一句就不再是%eax=1，而是test[0]= 1。 这两条对实现临界区至关重要，第一条保证不会因为指令的重新排序将临界区内的代码调到临界区之外（如果临界区内的指令被重排序放到临界区之外，What will happen?），第二条保证在临界区访问的变量的值，肯定是最新的值，而不是缓存在寄存器中的值，否则就会导致奇怪的错误。例如下面的代码： int del_timer(structtimer_list * timer) { int ret = 0; if (timer->next){ unsigned long flags; struct timer_list *next; save_flags(flags); cli(); // 临界区开始 if ((next =timer->next) != NULL) { (next->prev =timer->prev)->next = next; timer->next = timer->prev =NULL; ret = 1; } // 临界区结束 restore_flags(flags); } return ret; } 它先判断timer->next的值，如果是空直接返回，无需进行下面的操作。如果不是空，则进入临界区进行操作，但是cli()的实现（见下面）没有使用“memory”，timer->next的值可能会被缓存到寄存器中，后面if ((next =timer->next) != NULL)会从寄存器中读取timer->next的值，如果在if (timer->next)之后，进入临界区之前，timer->next的值可能被在外部改变，这时肯定会出现异常情况，而且这种情况很难Debug。但是如果cli使用“memory”，那么if ((next = timer->next) !=NULL)语句会重新从内存读取timer->next的值，而不会从寄存器中取，这样就不会出现问题啦。 2.4 版内核中cli和sti的代码如下： #define __cli() __asm__ __volatile__("cli": : :"memory") #define __sti() __asm__ __volatile__("sti": : :"memory") 通过上面的例子，读者应该知道，为什么指令没有修改内存，但是却使用“memory”修改描述符的原因了吧。应从指令的上下文去理解为什么要这样做。 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。 2.4 GCC如何编译内嵌汇编代码 GCC 编译内嵌汇编代码的步骤如下： 1.输入变量与占位符 根据限定符和破坏描述部分，为输入和输出部分的变量分配合适的寄存器，如果限定符指定为立即数(“i”)，或内存变量(“m”)，则不需要该步骤，如果限定符没有具体指定输入操作数的类型(如“g”)，GCC会视需要决定是否将该操作数输入到某个寄存器。这样每个占位符都与某个寄存器、内存变量或立即数形成了一一对应的关系。对分配了寄存器的输入变量需要增加代码将它的值读入寄存器。另外还要根据破坏描述符的部分增加额外代码。 2.指令模板部分然后根据这种一一对应的关系，用这些寄存器、内存变量或立即数来取代汇编代码中的占位符。 3.变量输出 按照输出限定符的指定将寄存器的内容输出到某个内存变量中，如果输出操作数的限定符指定为内存变量(“m”)，则该步骤被省略。 3 后记 该文档参照了Web上的许多与GCC内嵌汇编相关的文章编写而成，在此表示感谢，如有问题请发Email至：chforest