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本章介绍了汇编语言的基础，讲解了机器级编程的概念

1. 程序编码

编译器基于编程语言的规则，目标机器的指令集和操作系统遵循的惯例，经过一些列的阶段生成机器代码。

假设有两个c文件p1.c 和p2.c，可以使用下面的命令编译为可执行文件

linux> gcc -Og -o p p1.c p2.c

gcc是linux默认的c语言编译器，-O是指定优化等级，-Og会生成符合原始c代码整体结构的代码的优化等级，另外还有更高级的优化等级（O1，O2）。

实际上gcc在编译过程中调用了一整套程序：

  1. 首先，c预处理器扩展源代码，插入所有#include指定的文件，扩展所有#define声明的宏，生成两个源文件的汇编代码，称作p1.s和p2.s。
  2. 然后汇编器会将汇编代码转化成二进制目标代码文件，称作p1.o和p2.o，但还没有填入全局值的地址。
  3. 最后，链接器将两个目标代码文件和库函数合并，并产生可执行文件，称作p。

-o p ：生成可执行文件p

-S：生成汇编代码

-c：生成二进制目标代码

在linux中可以使用下面的命令对一个可执行文件进行反编译，生成汇编代码。

linux> objdump -d p

1.1 机器级代码

对于机器级编程，有两种抽象很重要：

  1. 指令集架构（ISA）来定义机器级程序的格式和行为，它定义了处理器状态，指令的格式，以及每条指令对状态的影响。
  2. 机器级程序使用的内存是虚拟内存，提供的内存模型像是一个很大的字节数组

机器级代码中有很多处理器的状态都是可见的：

  1. 程序计数器（PC，在x86-64中以%rip表示），给出下一条指令在内存中的地址。
  2. 整数寄存器文件，包含16个64位的寄存器，有的用来记录某些重要的运行状态，有的用来保存临时数据（局部变量，返回值）。
  3. 条件码寄存器，保存着最近计算的状态信息，用来实现控制，或数据流的条件变化（if，while，for，switch）。
  4. 一组向量寄存器，用来存放多个正数或浮点数的值。

注意：程序的内存包括：程序的可执行的机器代码，操作系统需要的信息，用来管理过程调用和返回的栈，用户分配的内存块（malloc）。

1.2 数据格式

在x86-64中有以下术语：

C声明Intel数据类型汇编代码后缀大小（字节）
char字节b1
short字w2
int双字l4
long四字q8
char*四字q8
float单精度s4
double双精度l8

由于浮点数使用的是一组完全不同的指令和寄存器，所以两个l不会有歧义。

2. 访问信息

一个x86-64的cpu中包含一组16个64位的通用目的寄存器

可以通过不同的指令访问到低4字节，低2字节，和最低的字节。当这些寄存器作为目标时，对于小于8个字节的命令，高位的字节会怎么改变呢？有两条规则：

  1. 生成1字节和2字节数字的指令会保证剩下的字节不变。
  2. 生成4字节的指令会把高位的4个字节值为零。

2.1 操作数指示符

大多数指令有一个或多个操作数，指示一个操作要使用的源数据以及放置结果的目的位置。

源数据可以以立即数（常数）给出，或从寄存器、内存中读出。结果可以存放在寄存器或内存中。

因此操作数可以分为三种类型，第一种是立即数，通常在前面加上$。第二种是寄存器，它表示寄存器中的值（任意指定低位1，2，4，8个字节）。第三种是内存引用，它表示内存中的值。以下的图更加清晰易懂。

2.2 数据传输指令

最频繁使用的指令就是数据传输指令，mov指令把数据从源位置复制到目标位置，不做任何变化

根据操作数不同，有以下五种，其中内存复制到内存被认为是不安全的操作，不被允许

同时，根据数据类型的不同，可以分为

MOV S，DD<-S传送
movb传送字节
movw传送字
movl传送二字
movq传送四字

对于从小到大的传输，又有两种分类:movz和movs，举例说明：

movzbq将做了零扩展的字节传输到四字，等等。movsbq将做了符号扩展的字节传输到四字，等等。具体见P123

2.3 压入或弹出栈数据

在x86-64中，栈存放在内存中的一个区域，栈是向下增长的，也就是地址不断减小，发生增加或删除的一端称为栈顶，有一个寄存器专门用来保存栈顶指针，称作%rsp。对于压栈入栈操作，有：pushq和popq。

pushq 将寄存器的值或立即数压入栈中，popq 将栈中的值存入寄存器中（由于内存到内存的操作时禁止的，所以不能直接写入内存中）

将一个四字压入栈中有两步：

  1. 将栈指针减去8
  2. 将值写入新的栈指针

注意，pop之后元素不会消失，而是等待下一次被覆盖。

3. 算术和逻辑操作

分为四组：加载有效地址，一元操作，二元操作，移位，具体见下图：

  • 加载有效地址

    它和mov很相似，不过它不会去内存中加载数据，而是直接将计算结果存入目的地中，举例解释：设%rdx的值是x，则leaq 7(%rdx,%rdx,4),%rax就是将%rax的值设置为5x+7。当用于将有效地址写入目的数时，源操作数中存的就是地址，例如在c语言中使用&S取地址时会用到，详见过程调用中的栈上的局部存储

  • 一元操作和二元操作

​ 包括一些加减乘，位操作等

  • 移位操作

​ 分为逻辑和算数移位

4. 控制

测试数据，然后根据测试的结果来改变控制流和数据流，这是机器代码实现有条件的行为。通过计算测试，将计算结果的一些特征（进位，零，符号，溢出）放入条件码寄存器，接着访问条件码，根据条件码，使用不同的jump指令实现条件判断。

4.1 条件码

在cpu中有一组单个位的条件码寄存器，它保留最近计算和逻辑操作的属性，包括

  • CF：进位标志。最近的操作使最高位产生了进位，可以用来检查无符号操作的溢出。
  • ZF：零标志。最近的操作得出结果位0。
  • SF：符号标志。最近操作得到的结果为负数。
  • OF：溢出标志。最近的操作导致补码正溢出或负溢出

除了算数和逻辑操作符可以设置条件码，还有两个指令cmp和test也可以设置

  • cmp的行为和sub相同，但不会改变寄存器的值
  • test和add行为相同，但不会改变寄存器的值

4.2 访问条件码

使用条件码的三种形式：

  1. 根据条件码多不同组合，将一个字节设置为0，1
  2. 根据条件码，程序可以条件的跳转到程序的某个其他部分
  3. 有条件的传送数据

这里讨论第一种情况，通常使用set指令，set的指令表如下：

4.3 跳转指令

跳转指令可以使程序切换到一个全新的位置，这些跳转的目的地通常使用标签（label）来指明，下面是一段伪代码：

	movq $0,%rax
	jmp .L1
	movq (%rax),%rdx
  .L1:
	popq %rdx

.L1是跳转的标签，程序会跳过jmp下面的一条指令，跳转到指定地址。

jmp跳转是无条件跳转：分为直接跳转和间接跳转，直接跳转即跳转目标是作为指令的一部分编码的，间接跳转级跳转目标是从寄存器或内存位置中读出来的。

下图是jump指令表：

前面两个是无条件跳转，在c语言中类似goto，后面的是配合条件码实现有条件跳转，也就是条件码的第二种使用方式，下面举个例子：

	cmpq %rsi,%rdi
	jge .L1
	inc %rdx
  .L1:
	popq %rdx

cmpq判断的结果存放在条件码中，jge通过条件码的组合，判断是否是大于等于，如果满足条件，就跳转。这就是基于条件控制来实现条件分支。

实现条件分支，还有一种方法，叫做条件传送，也就是条件码的第三种使用方式，大致意思是程序会将每一个分支中的程序都计算一边，将结果存放到不同的地方，最后根据条件进行数据传送（函数返回，数据复制等等），这样的性能会更好。

下图是条件传送指令表

为什么性能会好呢？因为cpu有一种叫做流水线（pipelining）的工艺，一条指令会分成很多步，比如从内存中取出指令，确定指令类型，读数据，运算，写数据，更新PC等，在内存中取一条指令时，它会执行前一条指令的运算操作，要实现这个功能，就必须对条件分支进行预测，如果预测对了还好，预测错了它就会丢掉所有做错的指令，会导致性能严重下降。

但是使用条件传送有时会导致错误，如：

long cread(long *p){
    return (p ? *p : 0);
}

created:
	moveq (%rdi), %rax
	testq %rdi, %rdi
	movel $0, %edx
	cmove %rdx, %rax
	ret

这段代码本来是预防了空指针错误，但是由于编译器会都执行一边，导致出错。

条件传送也不一定会提高效率。如果在分支中存在大量的计算也会增加很多运行时间。

编译器会在安全性和性能方面都均衡考虑，选择最佳的编译方式。

4.4 循环和switch

在c语言中分为三种循环do-while、while、for，可以先学习do-while，然后进一步扩展到while和for。

4.4.1 do-while

do-while的c语言通用格式如下：

do
    body-statement
    while(test-expr)

这种通用形式可以翻译为如下的条件测试和goto语句：

loop:
	body-statement
    t = test-expr;
	if (t)
      goto loop;

其中逻辑已经可以使用汇编中的条件码和跳转指令来实现了。

  .L2:
	...
	cmpq ...
	jg .L2

jg可以换为其他的跳转指令。

4.4.2 while

while的通用语句如下：

while(test-expr)
    body-statement

实现其的汇编代码有两种方式：jump to middle和guarded-do。

第一种策略是使用了do-while的模板，然后在最开始使用无条件跳转到测试处。下面是使用goto的实现：

	goto test;
loop:
	body-statement
test:
	t = test-expr
	if (t)
      goto loop;

第二种策略也是使用do-while的模板，不同的是，会在最开始条件测试，它和循环种的测试是相同的，下面是goto的实现：

t = test-expr;
if (!t)
    goto done;
loop:
	body-statement
	t = test-expr;
	if(t)
      goto test;
done:

第二种通常是在开启了较高的优化等级之后才会采用的策略。

4.4.3 for

for循环的通用语句如下：

for (init-expr; test-expr; update-expr)
    body-statement

等同于：

init-expr:
while(test-expr){
    body-statement
    update-expr;
}

编译器会根据优化等级来选择while模板

4.4.5 switch

switch根据一个整数索引进行多重分支，在底层的实现是使用了一个叫做跳转表的数据结构。跳转表是一个数组，每个元素是一个代码段的地址。下面是一个伪代码：

注意104后没有加break，这会导致接着执行106的语句。

void switch_eg(long n)
{
    switch(n){
        case 101:
            statement
            break;
		case 104:
            statement
		case 106:
            statement
            break;
        default:
            statement
    }
}

编译出来的汇编（伪代码）

switch_eg:
	subq	$101, %rdi
	cmpq	$6, %rdi
	ja   	.L2
	jmp  	*.L4(,%rdi,8)	; 间接寻址
  .L3:
	...
	jmp .L2
  .L5:
	...
	jmp .L2
  .L2:
	...

跳转表（伪代码）

	.section	.rodata		; 只读数据
	.aligen 8	;	
.L4:
	.quad	.L3
	.quad	.L6
	.quad	.L6
	.quad	.L6
	.quad	.L5
	.quad	.L6
	.quad	.L5

首先编译器会将n减去101，并且将n的取值映射正整数到0~5，创建一个新的变量。注意比较使用的是无符号ja指令，如果n是补码负数，则会转化变为非常大的无符号数，这样就可以只判断是否大于5。然后根据跳转表跳转到指定的代码块进行执行。

当case的数量很少（4个）时，编译器会编译为if-else结构，当范围大且稀疏时，使用if-else加上二分的方式.。

上次更新:
Contributors: YangZhang