C表達式中的彙編指令
- 2019 年 11 月 13 日
- 筆記
C 表達式中的彙編指令
asm 為 gcc 中的關鍵字，asm 表達式為在 C程式碼中嵌套彙編指令，該表達式只是單純的替換出彙編程式碼，並不對彙編程式碼的含義進行解析。
asm 表達式有兩種形式，第二種 asm-qualifiers 包含了 goto 語句。
第一種形式為常見的用法，AssemblerTemplate 和 OutputOperands 必須存在, 其中 Clobbers 存在需要 InputOperands 也出現。
asm asm-qualifiers ( AssemblerTemplate : OutputOperands [ : InputOperands [ : Clobbers ] ]) asm asm-qualifiers ( AssemblerTemplate : : InputOperands : Clobbers : GotoLabels)Qualifiers 的類型
- volatile, 避免編譯器的優化
- inline, 內斂限定符，最小的體積
- goto, 包含跳轉指令
參數
- AssemblerTemplate
– 彙編指令模板是包含彙編器指令的文字字元串，編輯器替換引用輸入，編譯器不會解析該指令的含義。 - OutputOperands
– 由 AssemblerTemplate 中的指令修改的C變數的逗號分隔列表，允許使用空列表。 - InputOperands
– 由 AssemblerTemplate 中的指令讀取的C變數的逗號分隔列表，允許使用空列表。 - Clobbers
– 用逗號分隔的暫存器列表或由 AssemblerTemplate 修改的值，不能出現在 OutputOperands 和 InputOperands 中被提及，允許使用空列表。 - GotoLabels
– 當使用asm的goto形式時，此部分包含 AssemblerTemplate 中的程式碼可能跳轉到的所有C標籤的列表。
AssemblerTemplate
彙編指令由一個字元串給出，多條彙編指令結合在一起使用的時候，中間以 rt 隔開，如
asm("inc %0ntinc %0" : "=r"(res) : "0"(res)); /APP # 11 "asm.c" 1 inc %rax inc %rax # 0 "" 2 /NO_APPs需要轉義的字元：%, =, {, }, |
故在ATT彙編中，對暫存器進行操作的需要雙 %%, 如 inc %%rax.
OutputOperands
操作數之間用逗號分隔。 每個操作數具有以下格式：
[ [asmSymbolicName] ] constraint (cvariablename)- asmSymbolicName
– 為操作數指定名稱，格式為%[name]
c // res = num asm("movq %[num], %[res]" : [res] "=r"(res) : [num] "m"(num));
– 如果未指定名稱使用數字, 從 output 域開始，第一個參數為 %0, 一次類推, 這裡的 res 為 %0, num 為 %1
c // res = num asm("movq %1, %0" : "=r"(res) : "m"(num)); - constraint
– 一個字元串常量，用於指定對操作數的存儲的 約束, 需要以 "=" 或 "+" 開頭 - cvariablename
– 指定一個C左值表達式來保存輸出，通常是一個變數名。 括弧是語法的必需部分
第一個參數為增加可讀性使用的，現在我們有程式碼如下
int64_t res; int64_t num = 1; asm("movq %[num], %[res]" : [res] "=r"(res) : [num] "m"(num)); asm("movq %1, %0" : "=r"(res) : "m"(num)); asm("movq %1, %0" : "=m"(res) : "m"(num)); asm("movq %1, %0" : "=r"(res) : "r"(num)); // 對應的彙編程式碼, 只保留asm表達式中的程式碼 # 13 "asm.c" 1 movq -16(%rbp), %rax // asm-1 # 0 "" 2 /NO_APP /APP # 15 "asm.c" 1 movq -16(%rbp), %rax // asm-2 # 0 "" 2 /NO_APP /APP # 17 "asm.c" 1 movq -16(%rbp), -8(%rbp) // asm-3 # 0 "" 2 /NO_APP /APP # 19 "asm.c" 1 movq %rax, %rax // asm-4 # 0 "" 2 /NO_APP- 使用名稱替換和數字替換效果一樣，見 asm-1 和 asm-2
- 約束的用法，這裡使用比較簡單通用的的兩種情況，
r為通過暫存器定址操作，m通過記憶體定址操作，所以看到當約束了r就對應暫存器的操作。 - 結果保存在 res 也就是 cvariablename 中
InputOperands
輸入操作數使C變數和表達式中的值可用於彙編程式碼。
[ [asmSymbolicName] ] constraint (cexpression)- asmSymbolicName 和輸出列表的用法完全一致
- constraint 約束不能使用
=和+. 可以使用 "0", 這表明在輸出約束列表中（從零開始）的條目，指定的輸入必須與輸出約束位於同一位置。
int64_t res = 3; int64_t num = 1; asm("addq %1, %0" : "=g"(res) : "0"(num)); // 輸入輸出位置相同 movq $3, -8(%rbp) movq $1, -16(%rbp) movq -16(%rbp), %rax /APP # 32 "asm.c" 1 addq %rax, %rax # 0 "" 2 /NO_APP- cexpression 可以不為左值，作為彙編表達式的輸入值即可
Clobbers
破壞列表，主要用於指示編譯器生成的彙編指令。
從asm表達式中看到輸出操作數中列出條目的更改編譯器是可以確定的，但內聯彙編程式碼可能不僅對輸出進行了修改。 例如，計算可能需要其他暫存器，或者處理器可能會由於特定彙編程式指令而破壞暫存器的值。 為了將這些更改通知編譯器，在Clobber列表中列出這些會產生副作用的條目。 破壞列表條目可以是暫存器名稱，也可以是特殊的破壞列表項（在下面列出）。 每個內容列表條目都是一個字元串常量，用雙引號引起來並用逗號分隔。
-
暫存器
```c asm volatile("movc3 %0, %1, %2" : /* No outputs. */ : "r"(from), "r"(to), "g"(count) : "%rbx", "%rcx", "%rdx", "memory"); /APP # 25 "asm.c" 1 movc3 %rax, %r8, -72(%rbp) # 0 "" 2 /NO_APP ``` 可以看到使用到了 rax 暫存器，然後修改程式在 Clobbers 增加 %rax, 結果如下 ```c asm volatile("movc3 %0, %1, %2" : /* No outputs. */ : "r"(from), "r"(to), "g"(count) : "%rax", "%rbx", "%rcx", "%rdx", "memory"); /APP # 25 "asm.c" 1 movc3 %r8, %r9, -72(%rbp) # 0 "" 2 /NO_APP ``` 編譯器在產生的彙編程式碼中就未使用 %rax 暫存器了。 -
特殊破壞列表項
– "cc", 表示彙編程式碼修改了標誌暫存器
– "memory", 為了確保記憶體中包含正確的值，編譯器可能需要在執行asm之前將特定的暫存器值刷新到記憶體中
編譯器為了破壞列表項的值受到破壞，當這些條目是暫存器時，不對其進行使用；為特殊參數時，重新刷新得到最新的值。
約束
- 一些基礎的約束
| 約束名 | 說明 |
|---|---|
| whitespace | 空白字元被忽略 |
| m | 允許使用記憶體操作數，以及機器通常支援的任何類型的地址 |
| o | 允許使用記憶體操作數，但前提是地址是可偏移的 |
| V | 允許使用記憶體操作數，不可偏移的記憶體地址，與 "o’互斥 |
| r | 允許在通用暫存器中使用的暫存器操作數，其中可以指定暫存器，如 a(%rax), b(%rbx) |
| i | 允許使用立即整數操作數 |
| n | 允許使用具有已知數值的立即整數操作數, 『I』, 『J』, 『K』, … 『P』 更應該使用 n |
| F | 允許使用浮點立即數 |
| g | 允許使用任何暫存器，記憶體或立即數整數操作數，但非通用暫存器除外 |
| X | 允許任何操作數, 『0』, 『1』, 『2』, … 『9』 |
| p | 允許使用有效記憶體地址的操作數 |
- 標識符約束
| 標識符 | 說明 |
|---|---|
| = | 表示此操作數是由該指令寫入的：先前的值將被丟棄並由新數據替換 |
| + | 表示該操作數由指令讀取和寫入 |
| & | 表示（在特定替代方法中）此操作數是早期指令操作數，它是在使用輸入操作數完成指令之前寫入的，故輸入操作數部分不能分配與輸出操作數相同的暫存器 |
| % | 表示該操作數與後續操作數的可交換指令 |
內核示例
- x86 的記憶體屏障指令。
// 避免編譯器的優化，聲明此處記憶體可能發生破壞 #define barrier() asm volatile("" ::: "memory") // 在32位的CPU下，lock 指令為鎖匯流排，加上一條記憶體操作指令就達到了記憶體屏障的作用，64位的cpu已經有新增的 *fence 指令可以使用 // mb() 執行一個記憶體屏障作用的指令，為指定CPU操作；破壞列表聲明 cc memory 指示避免編譯器進行優化 #ifdef CONFIG_X86_32 #define mb() asm volatile(ALTERNATIVE("lock; addl $0,-4(%%esp)", "mfence", X86_FEATURE_XMM2) ::: "memory", "cc") #define rmb() asm volatile(ALTERNATIVE("lock; addl $0,-4(%%esp)", "lfence", X86_FEATURE_XMM2) ::: "memory", "cc") #define wmb() asm volatile(ALTERNATIVE("lock; addl $0,-4(%%esp)", "sfence", X86_FEATURE_XMM2) ::: "memory", "cc") #else #define mb() asm volatile("mfence":::"memory") #define rmb() asm volatile("lfence":::"memory") #define wmb() asm volatile("sfence" ::: "memory") #endif- x86 下獲取 current 的值
DECLARE_PER_CPU(struct task_struct *, current_task); #define this_cpu_read_stable(var) percpu_stable_op("mov", var) static __always_inline struct task_struct *get_current(void) { return this_cpu_read_stable(current_task); } #define percpu_stable_op(op, var) ({ typeof(var) pfo_ret__; switch (sizeof(var)) { case 8: asm(op "q "__percpu_arg(P1)",%0" : "=r" (pfo_ret__) : "p" (&(var))); break; } pfo_ret__; }) current_task 為一個 struct task_struct 類型的指針，追蹤宏調用，在x86-64 下命中了 case 8: 的彙編程式碼， 展開的程式碼為
asm("mov" "q ""%%""gs" ":" "%" "P1"",%0" : "=r" (pfo_ret__) : "p" (&(current_task))); // 變換一下為 asm("movq %%gs:%P1, %0" : "=r"(pfo_ret__) : "p"(&(current_task)));這行程式碼的含義為將 約束輸入部分必須為有效的地址(p約束)， 將CPU id（通過段暫存器gs和偏移通過GDT得到，這裡後文分析了）通過暫存器(r約束)賦值給 pfo_ret__.
