內(nèi)聯(lián)匯編很可怕嗎？看完這篇文章，終結(jié)它！
一、基本 asm 格式
1. 語法規(guī)則
2. test1.c 插入空指令
3. test2.c 操作全局變量
4. test3.c 嘗試操作局部變量
二、擴(kuò)展 asm 格式
1. 指令格式
2. 輸出和輸入操作數(shù)列表
3. test4.c 通過寄存器操作局部變量
4. test5.c 聲明使用的寄存器
三、使用占位符來代替寄存器名稱
1. test6.c 使用占位符代替寄存器名
2. test7.c 給寄存器起別名
四、使用內(nèi)存地址
1. test8.c 使用內(nèi)存地址來操作數(shù)據(jù)
五、總結(jié)
在 Linux 代碼中，經(jīng)?？梢钥吹皆?C 代碼中，嵌入部分匯編代碼，這些代碼要么是與硬件體系相關(guān)的，要么是對(duì)性能有關(guān)鍵影響的。
在很久以前，我特別懼怕內(nèi)嵌匯編代碼，直到后來把匯編部分的短板補(bǔ)上之后，才徹底終結(jié)這種心理。
也許你在工作中，幾乎不會(huì)涉及到內(nèi)嵌匯編代碼的工作，但是一旦進(jìn)入到系統(tǒng)的底層，或者需要對(duì)時(shí)間關(guān)鍵場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，這個(gè)時(shí)候你的知識(shí)儲(chǔ)備就發(fā)揮重要作用了！
這篇文章，我們就來詳細(xì)聊一聊在 C 語言中，如何通過 asm 關(guān)鍵字來嵌入?yún)R編語言代碼，文中的 8 個(gè)示例代碼從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步深入地介紹內(nèi)聯(lián)匯編的關(guān)鍵語法規(guī)則。
希望這篇文章能夠成為你進(jìn)階高手路上的墊腳石！
PS:
示例代碼中使用的是 Linux 系統(tǒng)中 AT&T 匯編語法；
文章中的 8 個(gè)示例代碼，可以在公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)【426】，即可收到下載地址；
一、基本 asm 格式
gcc 編譯器支持 2 種形式的內(nèi)聯(lián) asm 代碼：
基本 asm 格式：不支持操作數(shù)；
擴(kuò)展 asm 格式：支持操作數(shù)；
1. 語法規(guī)則
asm [volatile] ("匯編指令")
所有指令，必須用雙引號(hào)包裹起來；
超過一條指令，必須用\n分隔符進(jìn)行分割，為了排版，一般會(huì)加上\t；
多條匯編指令，可以寫在一行，也可以寫在多行；
關(guān)鍵字 asm 可以使用 asm 來替換；
volatile 是可選的，編譯器有可能對(duì)匯編代碼進(jìn)行優(yōu)化，使用 volatile 關(guān)鍵字之后，告訴編譯器不要優(yōu)化手寫的內(nèi)聯(lián)匯編代碼。
2. test1.c 插入空指令
#include <stdio.h>
int main()
{
asm ("nop");
printf("hello\n");
asm ("nop\n\tnop\n\t"
"nop");
return 0;
}
注意：C語言中會(huì)自動(dòng)把兩個(gè)連續(xù)的字符串字面量拼接成一個(gè)，所以"nop\n\tnop\n\t" "nop" 這兩個(gè)字符串會(huì)自動(dòng)拼接成一個(gè)字符串。
生成匯編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test1.s test1.c
test1.s 中內(nèi)容如下(只貼出了內(nèi)聯(lián)匯編代碼相關(guān)部分的代碼)：
#APP
# 5 "test1.c" 1
nop
# 0 "" 2
#NO_APP
// 這里是 printf 語句生成的代碼。
#APP
# 7 "test1.c" 1
nop
nop
nop
# 0 "" 2
#NO_APP
可以看到，內(nèi)聯(lián)匯編代碼被兩個(gè)注釋(#APP ... #NO_APP)包裹起來。在源碼中嵌入了兩個(gè)匯編代碼，因此可以看到 gcc 編譯器生成的匯編代碼中包含了這兩部分代碼。
這 2 部分嵌入的匯編代碼都是空指令 nop，沒有什么意義。
3. test2.c 操作全局變量
在 C 代碼中嵌入?yún)R編指令，目的是用來計(jì)算，或者執(zhí)行一定的功能，下面我們就來看一下，如何在內(nèi)聯(lián)匯編指令中，操作全局變量。
#include <stdio.h>
int a = 1;
int b = 2;
int c;
int main()
{
asm volatile ("movl a, %eax\n\t"
"addl b, %eax\n\t"
"movl %eax, c");
printf("c = %d \n", c);
return 0;
}
關(guān)于匯編指令中編譯器的基本知識(shí)：
eax, ebx 都是 x86 平臺(tái)中的寄存器(32位)，在基本asm格式中，寄存器的前面必須加上百分號(hào)%。
32 位的寄存器 eax 可以當(dāng)做 16 位來使用(ax)，或者當(dāng)做 8 位來使用(ah, al)，本文只會(huì)按照 32 位來使用。
代碼說明：
movl a, %eax // 把變量ａ的值復(fù)制到 %eax 寄存器中；
addl b, %eax // 把變量 b 的值 與 %eax 寄存器中的值(a)相加，結(jié)果放在 %eax 寄存器中；
movl %eax, c // 把 %eax 寄存器中的值復(fù)制到變量 c 中；
生成匯編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test2.s test2.c
test2.s 內(nèi)容如下(只貼出與內(nèi)聯(lián)匯編代碼相關(guān)部分)：
#APP
# 9 "test2.c" 1
movl a, %eax
addl b, %eax
movl %eax, c
# 0 "" 2
#NO_APP
可以看到，在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，可以直接使用全局變量 a, b 的名稱來操作。執(zhí)行 test2，可以得到正確的結(jié)果。
思考一個(gè)問題：為什么在匯編代碼中，可以使用變量a, b, c？
查看 test2.s 中內(nèi)聯(lián)匯編代碼之前的部分，可以看到：
.file "test2.c"
.globl a
.data
.align 4
.type a, @object
.size a, 4
a:
.long 1
.globl b
.align 4
.type b, @object
.size b, 4
b:
.long 2
.comm c,4,4
變量 a, b 被 .globl 修飾，c 被 .comm 修飾，相當(dāng)于是把它們導(dǎo)出為全局的，所以可以在匯編代碼中使用。
那么問題來了：如果是一個(gè)局部變量，在匯編代代碼中就不會(huì)用 .globl 導(dǎo)出，此時(shí)在內(nèi)聯(lián)匯編指令中，還可以直接使用嗎？
眼見為實(shí)，我們把這 3 個(gè)變量放到 main 函數(shù)的內(nèi)部，作為局部變量來試一下。
4. test3.c 嘗試操作局部變量
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 1;
int b = 2;
int c;
asm("movl a, %eax\n\t"
"addl b, %eax\n\t"
"movl %eax, c");
printf("c = %d \n", c);
return 0;
}
生成匯編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test3.s test3.c
在 test3.s 中可以看到沒有 a, b, c 的導(dǎo)出符號(hào)，a 和 b 沒有其他地方使用，因此直接把他們的數(shù)值復(fù)制到?？臻g中了：
movl $1, -20(%ebp)
movl $2, -16(%ebp)
我們來嘗試編譯成可執(zhí)行程序：
$ gcc -m32 -o test3 test3.c
/tmp/ccuY0TOB.o: In function `main':
test3.c:(.text+0x20): undefined reference to `a'
test3.c:(.text+0x26): undefined reference to `b'
test3.c:(.text+0x2b): undefined reference to `c'
collect2: error: ld returned 1 exit status
編譯報(bào)錯(cuò)：找不到對(duì) a,b,c 的引用！那該怎么辦，才能使用局部變量呢？擴(kuò)展 asm 格式！
二、擴(kuò)展 asm 格式
1. 指令格式
asm [volatile] ("匯編指令" : "輸出操作數(shù)列表" : "輸入操作數(shù)列表" : "改動(dòng)的寄存器")
格式說明
匯編指令：與基本asm格式相同；
輸出操作數(shù)列表：匯編代碼如何把處理結(jié)果傳遞到 C 代碼中；
輸入操作數(shù)列表：C 代碼如何把數(shù)據(jù)傳遞給內(nèi)聯(lián)匯編代碼;
改動(dòng)的寄存器：告訴編譯器，在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，我們使用了哪些寄存器；
“改動(dòng)的寄存器”可以省略，此時(shí)最后一個(gè)冒號(hào)可以不要，但是前面的冒號(hào)必須保留，即使輸出/輸入操作數(shù)列表為空。
關(guān)于“改動(dòng)的寄存器”再解釋一下：gcc 在編譯 C 代碼的時(shí)候，需要使用一系列寄存器；我們手寫的內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，也使用了一些寄存器。
為了通知編譯器，讓它知道: 在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中有哪些寄存器被我們用戶使用了，可以在這里列舉出來，這樣的話，gcc 就會(huì)避免使用這些列舉出的寄存器
2. 輸出和輸入操作數(shù)列表的格式
在系統(tǒng)中，存儲(chǔ)變量的地方就2個(gè)：寄存器和內(nèi)存。因此，告訴內(nèi)聯(lián)匯編代碼輸出和輸入操作數(shù)，其實(shí)就是告訴它：
向哪些寄存器或內(nèi)存地址輸出結(jié)果;
從哪些寄存器或內(nèi)存地址讀取輸入數(shù)據(jù);
這個(gè)過程也要滿足一定的格式：
"[輸出修飾符]約束"(寄存器或內(nèi)存地址)
（1）約束
就是通過不同的字符，來告訴編譯器使用哪些寄存器，或者內(nèi)存地址。包括下面這些字符：
a: 使用 eax/ax/al 寄存器；
b: 使用 ebx/bx/bl 寄存器；
c: 使用 ecx/cx/cl 寄存器；
d: 使用 edx/dx/dl 寄存器；
r: 使用任何可用的通用寄存器；
m: 使用變量的內(nèi)存位置；
先記住這幾個(gè)就夠用了，其他的約束選項(xiàng)還有：D, S, q, A, f, t, u等等，需要的時(shí)候再查看文檔。
（2）輸出修飾符
顧名思義，它使用來修飾輸出的，對(duì)輸出寄存器或內(nèi)存地址提供額外的說明，包括下面4個(gè)修飾符：
+：被修飾的操作數(shù)可以讀取，可以寫入；
=：被修飾的操作數(shù)只能寫入；
%：被修飾的操作數(shù)可以和下一個(gè)操作數(shù)互換；
&：在內(nèi)聯(lián)函數(shù)完成之前，可以刪除或者重新使用被修飾的操作數(shù)；
語言描述比較抽象，直接看例子！
3. test4.c 通過寄存器操作局部變量
#include <stdio.h>
int main()
{
int data1 = 1;
int data2 = 2;
int data3;
asm("movl %%ebx, %%eax\n\t"
"addl %%ecx, %%eax"
: "=a"(data3)
: "b"(data1),"c"(data2));
printf("data3 = %d \n", data3);
return 0;
}
有 2 個(gè)地方需要注意一下?。?/p>
在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，沒有聲明“改動(dòng)的寄存器”列表，也就是說可以省略掉(前面的冒號(hào)也不需要)；
擴(kuò)展asm格式中，寄存器前面必須寫 2 個(gè)%；
代碼解釋：
"b"(data1),"c"(data2) ==> 把變量 data1 復(fù)制到寄存器 %ebx，變量 data2 復(fù)制到寄存器 %ecx。這樣，內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，就可以通過這兩個(gè)寄存器來操作這兩個(gè)數(shù)了；
"=a"(data3) ==> 把處理結(jié)果放在寄存器 %eax 中，然后復(fù)制給變量data3。前面的修飾符等號(hào)意思是：會(huì)寫入往 %eax 中寫入數(shù)據(jù)，不會(huì)從中讀取數(shù)據(jù);
通過上面的這種格式，內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，就可以使用指定的寄存器來操作局部變量了，稍后將會(huì)看到局部變量是如何從經(jīng)過?？臻g，復(fù)制到寄存器中的。
生成匯編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test4.s test4.c
匯編代碼 test4.s 如下：
movl $1, -20(%ebp)
movl $2, -16(%ebp)
movl -20(%ebp), %eax
movl -16(%ebp), %edx
movl %eax, %ebx
movl %edx, %ecx
#APP
# 10 "test4.c" 1
movl %ebx, %eax
addl %ecx, %eax
# 0 "" 2
#NO_APP
movl %eax, -12(%ebp)
可以看到，在進(jìn)入手寫的內(nèi)聯(lián)匯編代碼之前：
把數(shù)字 1 通過?？臻g(-20(%ebp))，復(fù)制到寄存器 %eax，再復(fù)制到寄存器 %ebx;
把數(shù)字 2 通過?？臻g(-16(%ebp))，復(fù)制到寄存器 %edx，再復(fù)制到寄存器 %ecx;
這 2 個(gè)操作正是對(duì)應(yīng)了內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的“輸入操作數(shù)列表”部分："b"(data1),"c"(data2)。
在內(nèi)聯(lián)匯編代碼之后(#NO_APP 之后)，把 %eax 寄存器中的值復(fù)制到棧中的 -12(%ebp) 位置，這個(gè)位置正是局部變量 data3 所在的位置，這樣就完成了輸出操作。
4. test5.c 聲明改動(dòng)的寄存器
在 test4.c 中，我們沒有聲明改動(dòng)的寄存器，所以編譯器可以任意選擇使用哪些寄存器。從生成的匯編代碼 test4.s 中可以看到，gcc 使用了 %edx 寄存器。
那么我們來測(cè)試一下：告訴 gcc 不要使用 %edx 寄存器。
#include <stdio.h>
int main()
{
int data1 = 1;
int data2 = 2;
int data3;
asm("movl %%ebx, %%eax\n\t"
"addl %%ecx, %%eax"
: "=a"(data3)
: "b"(data1),"c"(data2)
: "%edx");
printf("data3 = %d \n", data3);
return 0;
}
代碼中，asm 指令最后部分 "%edx" ，就是用來告訴 gcc 編譯器：在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，我們會(huì)使用到 %edx 寄存器，你就不要用它了。
生成匯編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test5.s test5.c
來看一下生成的匯編代碼 test5.s：
movl $1, -20(%ebp)
movl $2, -16(%ebp)
movl -20(%ebp), %eax
movl -16(%ebp), %ecx
movl %eax, %ebx
#APP
# 10 "test5.c" 1
movl %ebx, %eax
addl %ecx, %eax
# 0 "" 2
#NO_APP
movl %eax, -12(%ebp)
可以看到，在內(nèi)聯(lián)匯編代碼之前，gcc 沒有選擇使用寄存器 %edx。
三、使用占位符來代替寄存器名稱
在上面的示例中，只使用了 2 個(gè)寄存器來操作 2 個(gè)局部變量，如果操作數(shù)有很多，那么在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中去寫每個(gè)寄存器的名稱，就顯得很不方便。
因此，擴(kuò)展 asm 格式為我們提供了另一種偷懶的方法，來使用輸出和輸入操作數(shù)列表中的寄存器：占位符！
占位符有點(diǎn)類似于批處理腳本中，利用 2...來引用輸入?yún)?shù)一樣，內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的占位符，從輸出操作數(shù)列表中的寄存器開始從 0 編號(hào)，一直編號(hào)到輸入操作數(shù)列表中的所有寄存器。
還是看例子比較直接！
1. test6.c 使用占位符代替寄存器
#include <stdio.h>
int main()
{
int data1 = 1;
int data2 = 2;
int data3;
asm("addl %1, %2\n\t"
"movl %2, %0"
: "=r"(data3)
: "r"(data1),"r"(data2));
printf("data3 = %d \n", data3);
return 0;
}
代碼說明：
輸出操作數(shù)列表"=r"(data3)：約束使用字符 r, 也就是說不指定寄存器，由編譯器來選擇使用哪個(gè)寄存器來存儲(chǔ)結(jié)果，最后復(fù)制到局部變量 data3中；
輸入操作數(shù)列表"r"(data1),"r"(data2)：約束字符r, 不指定寄存器，由編譯器來選擇使用哪 2 個(gè)寄存器來接收局部變量 data1 和 data2；
輸出操作數(shù)列表中只需要一個(gè)寄存器，因此在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的 %0 就代表這個(gè)寄存器(即：從 0 開始計(jì)數(shù))；
輸入操作數(shù)列表中有 2 個(gè)寄存器，因此在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的 %1 和 %2 就代表這 2 個(gè)寄存器(即：從輸出操作數(shù)列表的最后一個(gè)寄存器開始順序計(jì)數(shù))；
生成匯編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test6.s test6.c
匯編代碼如下 test6.s：
movl $1, -20(%ebp)
movl $2, -16(%ebp)
movl -20(%ebp), %eax
movl -16(%ebp), %edx
#APP
# 10 "test6.c" 1
addl %eax, %edx
movl %edx, %eax
# 0 "" 2
#NO_APP
movl %eax, -12(%ebp)
可以看到，gcc 編譯器選擇了 %eax 來存儲(chǔ)局部變量 data1，%edx 來存儲(chǔ)局部變量 data2 ，然后操作結(jié)果也存儲(chǔ)在 %eax 寄存器中。
是不是感覺這樣操作就方便多了？不用我們來指定使用哪些寄存器，直接交給編譯器來選擇。
在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，使用 %0、%1 、%2 這樣的占位符來使用寄存器。
別急，如果您覺得使用編號(hào)還是麻煩，容易出錯(cuò)，還有另一個(gè)更方便的操作：擴(kuò)展 asm 格式還允許給這些占位符重命名，也就是給每一個(gè)寄存器起一個(gè)別名，然后在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中使用別名來操作寄存器。
還是看代碼！
2. test7.c 給寄存器起別名
#include <stdio.h>
int main()
{
int data1 = 1;
int data2 = 2;
int data3;
asm("addl %[v1], %[v2]\n\t"
"movl %[v2], %[v3]"
: [v3]"=r"(data3)
: [v1]"r"(data1),[v2]"r"(data2));
printf("data3 = %d \n", data3);
return 0;
}
代碼說明：
輸出操作數(shù)列表：給寄存器(gcc 編譯器選擇的)取了一個(gè)別名 v3；
輸入操作數(shù)列表：給寄存器(gcc 編譯器選擇的)取了一個(gè)別名 v1 和 v2；
起立別名之后，在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中就可以直接使用這些別名( %[v1], %[v2], %[v3])來操作數(shù)據(jù)了。
生成匯編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test7.s test7.c
再來看一下生成的匯編代碼 test7.s：
movl $1, -20(%ebp)
movl $2, -16(%ebp)
movl -20(%ebp), %eax
movl -16(%ebp), %edx
#APP
# 10 "test7.c" 1
addl %eax, %edx
movl %edx, %eax
# 0 "" 2
#NO_APP
movl %eax, -12(%ebp)
這部分的匯編代碼與 test6.s 中完全一樣！
四、使用內(nèi)存位置
在以上的示例中，輸出操作數(shù)列表和輸入操作數(shù)列表部分，使用的都是寄存器(約束字符：a, b, c, d, r等等)。
我們可以指定使用哪個(gè)寄存器，也可以交給編譯器來選擇使用哪些寄存器，通過寄存器來操作數(shù)據(jù)，速度會(huì)更快一些。
如果我們?cè)敢獾脑?，也可以直接使?span style="color:orange;">變量的內(nèi)存地址來操作變量，此時(shí)就需要使用約束字符 m。
1. test8.c 使用內(nèi)存地址來操作數(shù)據(jù)
#include <stdio.h>
int main()
{
int data1 = 1;
int data2 = 2;
int data3;
asm("movl %1, %%eax\n\t"
"addl %2, %%eax\n\t"
"movl %%eax, %0"
: "=m"(data3)
: "m"(data1),"m"(data2));
printf("data3 = %d \n", data3);
return 0;
}
代碼說明：
輸出操作數(shù)列表 "=m"(data3)：直接使用變量 data3 的內(nèi)存地址；
輸入操作數(shù)列表 "m"(data1),"m"(data2)：直接使用變量 data1, data2 的內(nèi)存地址;
在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中，因?yàn)樾枰M(jìn)行相加計(jì)算，因此需要使用一個(gè)寄存器(%eax)，計(jì)算這個(gè)環(huán)節(jié)是肯定需要寄存器的。
在操作那些內(nèi)存地址中的數(shù)據(jù)時(shí)，使用的仍然是按順序編號(hào)的占位符。
生成匯編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test8.s test8.c
生成的匯編代碼如下 test8.s：
movl $1, -24(%ebp)
movl $2, -20(%ebp)
#APP
# 10 "test8.c" 1
movl -24(%ebp), %eax
addl -20(%ebp), %eax
movl %eax, -16(%ebp)
# 0 "" 2
#NO_APP
movl -16(%ebp), %eax
可以看到：在進(jìn)入內(nèi)聯(lián)匯編代碼之前，把 data1 和 data2 的值放在了棧中，然后直接把棧中的數(shù)據(jù)與寄存器 %eax 進(jìn)行操作，最后再把操作結(jié)果(%eax)，復(fù)制到棧中 data3 的位置(-16(%ebp))。
五、總結(jié)
通過以上 8 個(gè)示例，我們把內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的關(guān)鍵語法規(guī)則進(jìn)行了講解，有了這個(gè)基礎(chǔ)，就可以在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中編寫更加復(fù)雜的指令了。
希望以上內(nèi)容對(duì)您能有所幫助！謝謝！
文章中的 8 個(gè)示例代碼，可以在公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)【426】，即可收到下載地址。
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