译：GCC内联汇编入门

原文： GCC-Inline-Assembly-HOWTO

1. 简介（Introduction.）

1.1 Copyright and License.

Copyright (C)2017 桂糊涂
Copyright (C)2003 Sandeep S.

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1.2 反馈(略)

1.3 背景(略)

希望将Windows项目BWAPI移植mac/linux时，遇到Visual C内联汇编迁移到GCC的问题，于是研习此文并译之。

2. 概览（Overview of the whole thing.）

• 我们在此学习GCC内联汇编。内联是什么？

我们可以指导编译器将函数的代码直接插入调用的位置，这类函数叫做内联函数。听起来像是宏？事实上还真挺像。

• 内联函数有什么好处？

内联的方法降低了函数调用的问题。而且如果任何参数是常量的话，在编译器将得到明显优化，而不是所有的内联函数代码都被包含。代码量会更少，取决于具体的情况。为了定义内联函数，我们使用关键字inline声明。

• 什么是内联汇编？

内联汇编是写在内联函数中的汇编过程(assembly routines)。它非常方便、快速，在系统编程中非常有用。我们主要关注学习GCC内联汇编函数的基础格式和用法。要声明内联汇编函数，我们使用关键字asm。

内联汇编很重要，因为有能力操作并输出到C变量中。因为这些能力，asm作为了C和汇编指令间的接口。

3、GCC汇编语法（GCC Assembler Syntax.）

GCC使用AT&T/UNIX汇编语法。其与Intel语法区别较大，主要区别有：

3.1. 源-目标顺序(Source-Destination Ordering)

Intel：Op-code dst src

AT&T：Op-code src dst

3.2. 寄存次命名(Registry Naming)

以%为前缀，如：使用eax写作%eax。

3.3. 立即操作数(Immediate Operands)

AT&T立即操作数以$开头，对staic “C”变量也前置$。16进制常量，Intel语法后缀h，AT&T前缀0x。所以对于16进制数，我们会先看到$,然后是0x,最后是常量。

3.4. 操作数大小(Operand Size)

译注：操作数（operand），很多情况下指操作对象，即寄存器或内存地址。

AT&T语法中操作数大小取决于操作码最后一个字符。操作码后缀b,w,l 对应 byte(8-bit), word(16-bit), 和 long(32-bit)。Intel语法中，通过在操作数（非操作码）前缀 byte ptr, word ptr, 和 dword ptr 实现该功能。

因此, Intel 之 mov al, byte ptr foo 即 movb foo, %al 于 AT&T.

3.5. 内存操作数(Memory Operands)

Intel语法中基址寄存器（The base register）内于[、]之间，而AT&T于(、) 之间。此外，间接内存引用（indirect memory reference）Intel风格为

section:[base + index*scale + disp] ，改变为

section:disp(base, index, scale)于 AT&T.

需指出，当常量使用disp/scale，$ 无需前置。

以上是Intel于AT&T语法的主要区别，完整信息请参加GNU Assembler documentations。以下一些例子有助于我们更好的理解：

Intel Code	AT&T Code
mov eax,1	movl $1,%eax
mov ebx,0ffh	movl $0xff,%ebx
int 80h	int $0x80
mov ebx, eax	movl %eax, %ebx
mov eax,[ecx]	movl (%ecx),%eax
mov eax,[ebx+3]	movl 3(%ebx),%eax
mov eax,[ebx+20h]	movl 0x20(%ebx),%eax
add eax,[ebx+ecx*2h]	addl (%ebx,%ecx,0x2),%eax
lea eax,[ebx+ecx]	leal (%ebx,%ecx),%eax
sub eax,[ebx+ecx*4h-20h]	subl -0x20(%ebx,%ecx,0x4),%eax

4. 内联基础（Basic Inline.）

内联汇编的基本形式

asm("assembly code");

例：

asm("movl %ecx %eax"); /* moves the contents of ecx to eax */
__asm__("movb %bh (%eax)"); /*moves the byte from bh to the memory pointed by eax */

asm与__asm__都是合法的，如asm与你的程序冲突，你可以使用__asm__。如果有多行代码，我们将每一个使用"包含，并后缀\n\t。因gcc将每行作为一个string到as(GAS)，通过换行/tab我们可以发送正确的格式给汇编器(assembler)。

例：

__asm__ ("movl %eax, %ebx\n\t"
         "movl $56, %esi\n\t"
         "movl %ecx, $label(%edx,%ebx,$4)\n\t"
         "movb %ah, (%ebx)");

如果我们的代码触及（touch）（如，改变内容）一些寄存器，而后不修复这些改变直接从asm返回的话，一些不好的事就会发生。这是因为GCC不知道对寄存器内容的改变，而这将我们带向问题，又起当编译器进行了某些优化的时候。它将假设一些寄存器包含了一些变量的值，而我们已经改变了没有告知GCC， 然后它继续执行就像什么也没发生一样。我们可以做的是使用一些没有副作用的指令，或者在我们退出前修复问题，或者等待崩溃。这就是我们想要一些扩展功能性（functionality）的地方。扩展asm（Extended asm）提供了我们这种功能性。

5. 扩展Asm（Extended Asm.）

基本汇编中我们只有指令。在扩展汇编中，我们可以指定操作对象(operand)。它允许我们指定输入寄存器，输出寄存器及一列受影响（clobbered）寄存器。它不是mandatory to指定寄存器使用，我们可以将麻烦留给GCC而GCC有可能（probably）更好的适配GCC的优化机制。反正（Anyway）基本形式如下：

asm ( assembler template
    : output operands /* optional */
    : input operands /* optional */
    : list of clobbered registers /* optional */
    );

汇编模板（assembler template）由汇编指令构成。每个操作数（operand）
描述为一个操作限制符（operand-constraint string），followed by the C expression in 括号。冒号分割汇编模板、输出操作数组、输入操作数组、clobbered寄存器组。逗号分割每个组内的操作数。操作数总数限制在10个或the maximum number of operands in any instruction pattern in the machine description，whichever is greater.

如果没有输出操作数但有输入操作数，你必须放两个连续冒号。

例如：

asm ("cld\n\t"
     "rep\n\t"
     "stosl"
     : /* no output registers */
     : "c" (count), "a" (fill_value), "D" (dest)
     : "%ecx", "%edi"
     );

以上代码是什么作用？ The above inline fills the fill_value count times to the location pointed to by the register edi. 它也同时告诉gcc, 寄存器 eax and edi 的内容不再有效. 让我们看看另一个例子来更好的理解：

int a=10, b;
asm ("movl %1, %%eax; movl %%eax, %0;"
    :"=r"(b) /* output */
    :"r"(a) /* input */
    :"%eax" /* clobbered register */
    );

这里我们使用汇编指令让b的值等于a的值。有趣的点是：

b 是 output operand, referred to by %0 而 a 是 input operand, referred to by %1.
r is 限制（constraints）对于 operands. 我们后面会详细讨论“限制”. 此时, r 告诉 GCC 使用任意register来储存操作数。输出操作数限制应该有一个限时修饰符=。这个修饰符意味着它是一个输出操作数且是只写的（write-only）。

在寄存器名称前出现了两个%。这帮助GCC来区分操作数和寄存器。操作数有一个单独的%作为前缀。

受影响（clobbered）寄存器%eax在第三个冒号之后，告诉GCC %eax的值已在asm内被修改，所以GCC不会使用这个寄存器去保存其他的值。

当asm执行结束后，b将反射更新后的值，因为它被指定为一个输出操作数。另一方面，asm内部对b的改变应该(is supposed to)在asm外部被反射.

现在我们详细的看一下每一个区域。

5.1 汇编模板(Assembler Template).

汇编模板包含一组嵌入到C程序中的指令。格式类似：或者每个指令包围在双引号中，或整组指令包含在双引号中。每个指令也应该以一个分隔符结束。合法的分隔符可以是\n和;。\n可以跟随一个\t。C表达式的操作数呈现为 %0, %1 ...等。

5.2 操作数(Operands).

C expressions serve as operands for the assembly instructions inside "asm". 每个操作数首先写作一个双引号内的操作数限制符(operand constraint)。 对于输出操作数, 引号内还有一个限制修饰符， 然后跟随操作数对应的 C 表达式 。 即，

"constraint" (C expression) 乃通用形式。对输出操作数会有一个额外的修饰符。限制符（constraint）主要用于决定操作数的地址模式。他们也被用于指定要使用的寄存器。

如我们使用超过一个操作数，以逗号,分隔。

在汇编模板中，每个操作数按数字被引用。数字按如下规则排列。如果有n个操作数（包括输入、输出），那么第一个输出操作数是数字0，连续增加，最后一个输入操作数是数字n-1。最大操作数数量如上一段所述。

输出操作数表达式必须是lvalues(32-bit)。输入操作数无此限制。他们必须是表达式。扩展汇编功能是最常用于编译器自身不知晓的机器指令;-)。如果输出表达式无法被直接寻址（addressed）（比如，它是一个bit-field），我们限制符必须“允许”(allow)一个寄存器。在那种情况下，GCC将使用该寄存器为asm的输出，然后将寄存器内容存储到输出。

如上所述，原始输出操作数必须是只写的；GCC将假设那个操作对象中的值在指令前已失效且无需生成。扩展汇编也支持“输入-输出”或“读-写”操作数。

我们现在看一些例子。我们希望将一个数乘以5。对此我们使用lea指令。

asm ("leal (%1,%1,4), %0"
    : "=r" (five_times_x)
    : "r" (x)
    );

此处我们的输入是x。我们没有指定使用哪个寄存器。GCC会为输入选择一些寄存器用来输入，一个用来输出，执行我们的要求。如果我们希望输入和输出放在（reside）同一个寄存器中，我们可以让GCC来实现。这里我们使用那种"读-写"操作数，通过指定合适的限制符，这里我们来实现它：

asm ("leal (%0,%0,4), %0"
    : "=r" (five_times_x)
    : "0" (x)
    );

现在输入和输出操作数在同一个寄存器内了。但我们不知道是哪个寄存器。现在如果我们也想要指定，有一个办法：

asm ("leal (%%ecx,%%ecx,4), %%ecx"
    : "=c" (x)
    : "c" (x)
    );

以上三个例子中，我们没有把任何一个寄存器放在受影响列表中。为什么？前两个例子中，GCC决定使用哪个寄存器，因此知道发生了什么改变。在最后一个中，我们不需要将ecx放在受影响列表中，gcc知道它会放入x中。因为它可以知道ecx的值，它不会被视为受影响的。

5.3 受影响列表（Clobber List.）

一些指令会影响一些硬件寄存器。我们必须在受影响列表中列出那些寄存器，即asm函数第三个:后的区域。这用于指示gcc我们将使用并修改它们。所以gcc将补不回假设它加载到这些寄存器中的值是合法的。我们不应该列出输入和输出寄存器。因为gcc知道asm使用它们（因为它们被明确指定为限制符(constraints)）。如果指令使用了任何其他寄存器，显式或隐式的（并且这些寄存器没有出现在输入和输出列表上），那么那些寄存器必须在受影响列表中指定。

如果我们的指令可以修改条件码寄存器（the condition code register），我们必须增加cc到受影响寄存器列表。

如果我们的指令用一个不可预期的方法(fashion)修改了内存，添加memory到受影响寄存器。这会使GCC在汇编指令期间不在寄存器内保持内存值的缓存。我们也必须添加volatile关键字，如果内存影响（memory affected）未列在asm的输入和输出中。

我们可以读写受影响寄存器任意多次。注意模板中乘法指令的例子；它假设子过程(subroutine) _foo 接受eax 、ecx寄存器中的参数。

asm ("movl %0,%%eax; movl %1,%%ecx; call _foo"
    : /* no outputs */
    : "g" (from), "g" (to)
    : "eax", "ecx"
    );

5.4 Volatile ...? (不稳定的...?）

如果你熟悉内核源码或者一些类似的优美代码，你必然已见过很多函数声明为volatile或__volatile__，跟随在__asm__之后。我之前提到过关于关键字asm和__asm__。所以什么是volatile？

如果我们的汇编语句必须在我们放置它的地方执行，(即，必须不被作为一个优化而移出循环)，则将volatile放在asm之后。所以防止它被移动、删除和任何改变，我们如此声明asm volatile(... : ... : ... : ...); 当我们必须非常小心时，使用__volatile__。

如果我们的汇编只是做一些计算而没有任何副作用，最好不要使用volatile关键字。忽略它将帮助GCC优化代码使其更优美。

在“一些有用的代码”小节，我已经提供了很多内联汇编函数的例子。我们可以详细了解受影响列表。

6. 详解限制符（More about constraints.）

此时，你可能已经理解限制符必须要做很多的事。但关于限制符我们说的很少。限制符可以说出操作数是否可能是一个寄存器，及哪类寄存器；操作数是否可以是一个内存引用，及哪一类地址；操作数是否可能是一个立即常量，及它可以有哪些可能的值（即值的范围）...等。

6.1 常用限制符（Commonly used constraints.）

有许多限制符，只有一部分是常用的。我们看一看这些限制符。

1. 寄存器操作数限制符（Register operand constraint）(r)
当操作数指定使用此限制符时，它们会存储在常规寄存器中（General Purpose Registers(GPR)）。如：

asm ("movl %%eax, %0\n"
    :"=r"(myval)
    );

此处myval变量保存在一个寄存器中，eax的值会复制到那个寄存器，而myval的值会从这个寄存器中更新到内存。当"r"限制符被指定后，gcc可以在任何可用的GPR中保存这个变量。要指定该寄存器，你必须使用特定寄存器限制符指定寄存器名称。它们是：

r	Register (s)
a	%eax, %ax, %al
b	%ebx, %bx, %bl
c	%ecx, %cx, %cl
d	%edx, %dx, %dl
S	%esi, %si
D	%edi, %di

2. 内存操作数限制符（Memory operand constraint）(m)

当操作数是在内存中时，任何在它上的操作将直接在内存位置进行，而寄存器限制符，则优先存于寄存器而后修改再写回内存。但寄存器限制符通常只在指令必需或者明显提升性能时使用。当C变量需在asm中修改且无需寄存器保持其值时，内存限制符可最大化性能。如，将idtr的值存储于loc的内存位置中：

asm("sidt %0\n" : :"m"(loc));

3. 匹配（数字）限制符(Matching(Digit) constraints)
有时，一个单独变量既是输入也是输出操作符，这时可使用匹配限制符。

asm ("incl %0" :"=a"(var):"0"(var));

我们在操作数一节看到了类似的例子，在这个例子中寄存器%eax既是输入也是输出变量。var输入读入%eax并更新到%eax最后在自增后存入var。这里的"0"指定了和输出变量一样的第0个限制符。也就是说，它指定了var的输出过程应该只存于%eax中。这类限制符可用于：

• 输入输出是统一变量，或变量被修改并被写会同一变量时。
• 将输入和输出操作符分开是不必要的时候。

使用匹配限制符最重要的效果是使可用寄存器的使用更有效。

一些其他的限制符有：

• m: 接受内存操作数，任意的机器支持的地址。
• o: 接受内存操作数，只接受偏移地址（offsettable）。即对某个合法地址添加一个微小的偏移量。
• V: 非偏移内存操作数。换句话说，任何符合"m"但不符合"o"限制符的地址。
• i: 立即整型操作数，允许在编译期(assembly-time)可知常量符号。
• n: 立即整型操作数，允许已知数字值。许多系统不支持小于16-bit的（word wide)编译期(assembly-time)常量作为操作数。这些操作数应该使用n而不是i。
• g: 任何寄存器，内存或立即整型操作数都可用，要求寄存器不是常规寄存器(general registers)。

以下限制符为x86限定：

• r : Register operand constraint, look table given above.
• q : Registers a, b, c or d.
• I : Constant in range 0 to 31 (for 32-bit shifts).
• J : Constant in range 0 to 63 (for 64-bit shifts).
• K : 0xff.
• L : 0xffff.
• M : 0, 1, 2, or 3 (shifts for lea instruction).
• N : Constant in range 0 to 255 (for out instruction).
• f : Floating point register
• t : First (top of stack) floating point register
• u : Second floating point register
• A : Specifies the a’ ord’ registers. This is primarily useful for 64-bit integer values intended to be returned with the d’ register holding the most significant bits and thea’ register holding the least significant bits.

6.2 限制符修饰符(Constraint Modifiers.)

当使用限制符时，若要精确控制其效果，GCC提供了修饰符。常用当有：

• = : 意味着操作数对该指令是只写的；前一个值将被忽略并替换为输出数据。
• &: 意味着操作数是一个早期受影响的操作数，也就是在指令结束前已被修改。因此，该操作数不可停留在输入寄存器中或任何内存中。在被写入前仅用于输入的输入操作数可设为一个早期受影响操作数 （An input operand can be tied to an earlyclobber operand if its only use as an input occurs before the early result is written）。

关于限制符的描述并不意味结束。例子可以帮助我们更好地理解内联汇编。下一节我们会看一些例子，我们会发现更多关于受影响列表和限制符的使用。

7. 一些有用的代码(Some Useful Recipes.)

现在我们已经基本涵盖了GCC内联汇编内容，我们应该关注一些简单的例子。使用宏来定义内联汇编总是方便的。我们可以看到很多内核（kernel）代码的asm函数例子。(/usr/src/linux/include/asm/*.h).

1. 首先我们从一个简单的例子开始。我们写一个程序，将两个数字相加：

int main(void)
{
        int foo = 10, bar = 15;
        __asm__ __volatile__("addl  %%ebx,%%eax"
                             :"=a"(foo)
                             :"a"(foo), "b"(bar)
                             );
        printf("foo+bar=%d\n", foo);
        return 0;
}

此处我们让GCC将foo存入%eax，将bar存入%ebx，然后我们希望结果也存在%eax中。=符号表示那是一个输出寄存器。现在我们可以用另一种方式让变量加整数。

 __asm__ __volatile__(
                      "   lock       ;\n"
                      "   addl %1,%0 ;\n"
                      : "=m"  (my_var)
                      : "ir"  (my_int), "m" (my_var)
                      :                                 /* no clobber-list */
                      );

这是一个原子加法。我们可以移除lock指令来移除原子性。输出段=m意为my_var是一个输出操作数且在内存中。类似的ir说明my_int是一个整数并应该载入(reside)到寄存器中。没有受影响寄存器列表。

1. 现在我们会执行一些动作在寄存器/变量上并比较它们到值。

__asm__ __volatile__(  "decl %0; sete %1"
                      : "=m" (my_var), "=q" (cond)
                      : "m" (my_var) 
                      : "memory"
                      );

此处，my_var的值减1，如果结果为0则cond变量被设置。我们同样可以添加lock;\n\t在第一句来实现原子性。类似的，我们可以用incl %0代替decl %0来实现my_var的加1。

此处需要指出
(i) my_var 是一个位于(residing in)内存中的变量。 (ii)cond可以在eax,ebx,ecx和edx中的任意一个。=q限制符确保了这一点。 (iii) 受影响列表中包含memory`，即代码将改变内存中的值。

1. 如何设置／清除寄存器中的一个位？

__asm__ __volatile__(   "btsl %1,%0"
                      : "=m" (ADDR)
                      : "Ir" (pos)
                      : "cc"
                      );

此处，｀ADDR（一个内存变量）中的pos`变量对应的比特位将设为1.

我们可以用btrl替代btsl来清除一个位。限制符Ir指出，pos是一个寄存器，且它的值介于0-31（x86限制符）。即我们可以设置/清除ADDR变量中任意0～31位值。因为条件码将被改变，我们增加cc到受影响列表。

1. 现在我们看一些复杂但有用的函数。字符串复制。

static inline char * strcpy(char * dest,const char *src)
{
int d0, d1, d2;
__asm__ __volatile__(  "1:\tlodsb\n\t"
                       "stosb\n\t"
                       "testb %%al,%%al\n\t"
                       "jne 1b"
                     : "=&S" (d0), "=&D" (d1), "=&a" (d2)
                     : "0" (src),"1" (dest) 
                     : "memory");
return dest;
}

源地址保存在esi中，目标地址在edi中，然后开始复制，当我们到达0时，复制结束。限制符&S,&D,&a说明寄存器esi, edi, eax是早期受影响寄存器。即，它们的内容将在函数完成前被改变。此处明显memory也在受影响之列。

我们看一个类似的函数，移动一块双字(double words)。注意函数声明为一个宏。

#define mov_blk(src, dest, numwords) \
__asm__ __volatile__ (                                          \
                       "cld\n\t"                                \
                       "rep\n\t"                                \
                       "movsl"                                  \
                       :                                        \
                       : "S" (src), "D" (dest), "c" (numwords)  \
                       : "%ecx", "%esi", "%edi"                 \
                       )

这里我们没有输出，所以改变发生在寄存器ecx, esi 和 edi上，是块移动的副作用。所以我们将它们加在受影响列表上。

Linux中，系统调用是由GCC内联汇编实现的。让我们看一些一个系统调用是如何实现的。所有的系统调用被写作一个宏（linux/unistd.h）。如，一个有3个参数的系统调用被写作如下的宏：

#define _syscall3(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3) \
type name(type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile (  "int $0x80" \
                  : "=a" (__res) \
                  : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), \
                    "d" ((long)(arg3))); \
__syscall_return(type,__res); \
}

无论任何的3个参数的系统调用，都使用以上宏进行。syscall数字放在eax中，然后每个参数放在ebx, ecx, edx。最终int 0x80指令真正的执行调用。返回码可以在eax中获得。

每个系统调用实现方法类似。退出是一个单参数系统调用，让我们看看它的代码是什么样的，如下：

{
        asm("movl $1,%%eax;         /* SYS_exit is 1 */
             xorl %%ebx,%%ebx;      /* Argument is in ebx, it is 0 */
             int  $0x80"            /* Enter kernel mode */
             );
}

退出数字是1，参数（parameter）是0。所以我们安排eax包含1，ebx包含0，通过int $0x80执行exit(0)。这就是exit的工作原理。

8. 总结（Concluding Remarks.）

本文档简要叙述了GCC内联汇编的基础。一旦你理解了这些基础概念，自己尝试下一步就不再困难了。我们已经看了一些对理解常用GCC内联汇编功能很有帮助的例子。

GCC内联是一个很大的主题，而这篇文章只是一个的开始。更多语法细节可以在官方GNU汇编文档中查阅。同样的，完整的限制符说明也在GCC官方文档中列出。

当然，Linux内核大规模使用了GCC内联汇编。所以我们可以在其中找到很多的不同类型的例子。对我们非常有帮助。

如果你发现任何文字错误，或本文中的内容已经过期，请告知。

9. 引用（References.）

1. Brennan’s Guide to Inline Assembly
2. Using Assembly Language in Linux
3. Using as, The GNU Assembler
4. Using and Porting the GNU Compiler Collection (GCC)
5. Linux Kernel Source

作者：桂糊涂
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来源：简书
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