深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（3.6）------匯編的流程控制
前面我們所講的所有指令，代碼執(zhí)行順序都是一條接著一條順序的執(zhí)行。但是實(shí)際上在編碼過(guò)程中，會(huì)有某些結(jié)構(gòu)，比如條件語(yǔ)句（if-else），循環(huán)語(yǔ)句（for,do-while）和分支語(yǔ)句（switch）等等，都要求有條件的執(zhí)行，根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)試的結(jié)果來(lái)決定操作執(zhí)行的順序。
在機(jī)器代碼中，提供兩種基本的低級(jí)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)有條件的行為：測(cè)試數(shù)據(jù)值，然后根據(jù)測(cè)試的結(jié)果來(lái)改變控制流或者數(shù)據(jù)流。
那么本篇博客我們就來(lái)詳細(xì)介紹在匯編語(yǔ)言中的流程控制。
1、條件碼
前面我們?cè)?操作數(shù)指示符和數(shù)據(jù)傳送指令 中介紹了整數(shù)寄存器，在 32位 CPU 中包含一組 8 個(gè)存儲(chǔ) 32 位值的寄存器，即整數(shù)寄存器。它可以存儲(chǔ)一些地址或者整數(shù)的數(shù)據(jù)，有的用來(lái)記錄某些重要的程序狀態(tài)，有的則用來(lái)保存臨時(shí)數(shù)據(jù)。
而這里我們要介紹的是條件碼（condition code）寄存器。它與整數(shù)寄存器不同，它是由單個(gè)位組成的寄存器，也就是它們當(dāng)中的值只能為 0 或者 1。當(dāng)有算術(shù)與邏輯操作發(fā)生時(shí)，這些條件碼寄存器當(dāng)中的值會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。
也就是說(shuō)可以檢測(cè)這些寄存器來(lái)執(zhí)行條件分支指令。常用的條件碼如下：
①、CF：進(jìn)位標(biāo)志寄存器。最近的操作是最高位產(chǎn)生了進(jìn)位。它可以記錄無(wú)符號(hào)操作的溢出，當(dāng)溢出時(shí)會(huì)被設(shè)為1。
②、ZF：零標(biāo)志寄存器，最近的操作得出的結(jié)果為0。當(dāng)計(jì)算結(jié)果為0時(shí)將會(huì)被設(shè)為1。
③、SF：符號(hào)標(biāo)志寄存器，最近的操作得到的結(jié)果為負(fù)數(shù)。當(dāng)計(jì)算結(jié)果為負(fù)數(shù)時(shí)會(huì)被設(shè)為1。
④、OF：溢出標(biāo)志寄存器，最近的操作導(dǎo)致一個(gè)補(bǔ)碼溢出（正溢出或負(fù)溢出）。當(dāng)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)致了補(bǔ)碼溢出時(shí)，會(huì)被設(shè)為1。
從上面可以看出，CF和OF可以判斷有符號(hào)和補(bǔ)碼的溢出，ZF判斷結(jié)果是否為0，SF判斷結(jié)果的符號(hào)。這是底層機(jī)器的設(shè)定，而我們所編程用的高級(jí)語(yǔ)言（比如C，Java）就是靠這四個(gè)寄存器，演化出各種各樣的流程控制。
2、設(shè)置條件碼
通常情況下，條件碼寄存器的值無(wú)法主動(dòng)被改變，它們大多時(shí)候是被動(dòng)改變，這算是條件碼寄存器的特色。這其實(shí)理解起來(lái)并不困難，因?yàn)闂l件碼寄存器是1位的，而我們的數(shù)據(jù)格式最低為b，也就是8位，因此你無(wú)法使用任何數(shù)據(jù)傳送指令去傳送一個(gè)單個(gè)位的值。
幾乎所有的算術(shù)與邏輯指令都會(huì)改變條件碼寄存器的值，不過(guò)改變的前提是觸發(fā)了條件碼寄存器的條件。比如對(duì)于subl %edx,%eax這個(gè)減法指令，假設(shè)%edx和%eax寄存器的值都為0x10，則兩者相減的結(jié)果為0，此時(shí)ZF寄存器將會(huì)被自動(dòng)設(shè)為1。對(duì)于其它的指令運(yùn)算，都是類似的，會(huì)根據(jù)結(jié)果的不同而設(shè)置不同的條件碼寄存器。
這里我們需要說(shuō)明的是，leal 指令作為地址計(jì)算的時(shí)候，是不改變?nèi)魏螚l件碼的。
前面我們所講的算術(shù)邏輯指令，在改變整數(shù)寄存器的值后，會(huì)根據(jù)結(jié)果設(shè)置不同的條件碼。而這里還有另外兩種指令，它們只設(shè)置條件碼，而不改變?nèi)魏纹渌拇嫫鞯闹?。如下圖：
?、?、CMP 指令，指令形式 CMP S2，S1。然后會(huì)根據(jù) S1-S2 的差來(lái)設(shè)置條件碼。除了只設(shè)置條件碼而不更新目標(biāo)寄存器外，CMP 指令和 SUB 指令的行為是一樣的。比如兩個(gè)操作數(shù)相等，那么之差為0，那么就會(huì)將零標(biāo)志設(shè)置為 1；其他的標(biāo)志也可以用來(lái)確定兩個(gè)數(shù)的大小關(guān)系。
②、TEST 指令，和 AND 指令一樣，除了TEST指令只設(shè)置條件碼而不改變目的寄存器的值。比如對(duì)于如下指令：
MOV AL,40H
TESTB AL,08H
上面的指令就是用來(lái)測(cè)試 AL 寄存器的左起第四位是否為0，結(jié)果就是 0100 0000（40H）& 0000 1000（08H），測(cè)試結(jié)果左起第4位是0，所以各個(gè)標(biāo)志位：CF=0,OF=0,SF=0,ZF=1
3、訪問(wèn)條件碼
對(duì)于普通寄存器來(lái)講，使用的時(shí)候一般是直接讀取它的值，而對(duì)于條件碼，通常不會(huì)直接讀取。常用的有如下三種方法：
①、可以根據(jù)條件碼寄存器的某個(gè)組合，將一個(gè)字節(jié)設(shè)置為0或1。
②、可以直接條件跳轉(zhuǎn)到程序的某個(gè)其它的部分。
③、可以有條件的傳送數(shù)據(jù)。
對(duì)于第一種情況，下圖描述的指令便是根據(jù)條件碼的某個(gè)組合，將一個(gè)字節(jié)設(shè)置為0或1，這一整類指令稱為 SET 指令，它們的區(qū)別就在與它們考慮的條件碼的組合是什么，這些指令名字的不同后綴指明了它們所考慮的條件碼的組合。
注意：這些指令的后綴表示不同的條件而不是操作數(shù)的大小。比如指令 setl 和 setb 表示 “小于時(shí)設(shè)置（set less）”和“低于時(shí)設(shè)置（set below）”，而不是“設(shè)置長(zhǎng)字（set long word）”和“設(shè)置字節(jié)（set byte）”。
上圖所說(shuō)的同義名，比如說(shuō)setg（表示“設(shè)置大于”）和 setnle（表示“不小于等于”）指的就是同一條機(jī)器指令，編譯器和反編譯器會(huì)隨意決定使用哪個(gè)名字。
還有set指令中的目的操作數(shù)，只能是前面我們所講的8個(gè)單字節(jié)的寄存器或者是存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器位置。
下面我們分別對(duì) set 指令出現(xiàn)的后綴做簡(jiǎn)單介紹：
①、e->ZF（相等）:equals的意思，這里代表的組合是ZF，因?yàn)閆F在結(jié)果為0時(shí)設(shè)為1。因此ZF代表的意義是相等。
②、ne->~ZF（不相等）:not equals 的意思，這里代表的組合是~ZF，也就是ZF做“非運(yùn)算”，則很明顯是不相等的意思。
③、s->SF（負(fù)數(shù)）：這里代表的組合是SF，因?yàn)镾F在計(jì)算結(jié)果為負(fù)數(shù)時(shí)設(shè)為1，此時(shí)可以認(rèn)為b為0，即a<0。因此這里是負(fù)數(shù)的意思。
④、ns->~SF（非負(fù)數(shù)）：與s相反，加上n則是not的意思，因此這里代表非負(fù)數(shù)。
⑤、l->SF^OF（有符號(hào)的小于）：l代表的是less。這里的組合是SF^OF，即對(duì)SF和OF做“異或運(yùn)算”?！爱惢蜻\(yùn)算”的意思則是代表，SF和OF不能相等。那么有兩種情況，當(dāng)OF為0時(shí)，則代表沒(méi)有溢出，此時(shí)SF必須為1，SF為1則代表結(jié)果為負(fù)。即a-b<0，也就是a<b，也就是小于的意思。當(dāng)OF為1時(shí)，則代表產(chǎn)生了溢出，而此時(shí)SF必須為0，也就是說(shuō)結(jié)果最后為正數(shù)，那么此時(shí)則是負(fù)溢出，也可以得到a-b<0，即a<b。綜合前面兩種情況，SF^OF則代表小于的意思。
⑥、le->(SF^OF)|ZF（有符號(hào)的小于等于）：le是less equals的意思。有了前面小于的基礎(chǔ)，這里就很容易理解了。SF^OF代表小于，ZF代表等于，因此兩者的“或運(yùn)算”則代表小于等于。
⑦、g->~(SF^OF)&~ZF（有符號(hào)的大于）：g是greater的意思。這里的組合是~(SF^OF)&~ZF，相對(duì)來(lái)說(shuō)就比較復(fù)雜了。不過(guò)有了前面的鋪墊，這個(gè)也非常好理解。SF^OF代表小于，則~(SF^OF)代表大于等于，而~ZF代表不等于，將~(SF^OF)與~ZF取“與運(yùn)算”，則代表大于等于且不等于，也就是大于。
⑧、ge->~(SF^OF)（有符號(hào)的大于等于）：ge是greater equals的意思。
⑨、b->CF（無(wú)符號(hào)的小于）：b是below的意思。CF是無(wú)符號(hào)溢出標(biāo)志，這里的意思是指如果a-b結(jié)果溢出了，則代表a是小于b的，即a<b。其實(shí)這個(gè)結(jié)論很顯然，關(guān)鍵點(diǎn)就在于，無(wú)符號(hào)減法只有在減出負(fù)數(shù)的時(shí)候才可能溢出，也就是說(shuō)只要結(jié)果溢出了，那么一定有a-b<0。因此這個(gè)結(jié)論就顯而易見(jiàn)了。
⑩、be->CF|ZF（無(wú)符號(hào)的小于等于）：這里是below equals的意思。因此這里會(huì)與ZF計(jì)算“或運(yùn)算”，字面上也很容易理解，即CF（小于）|（或）ZF（等于），也就是小于等于。
?、a->~CF&~ZF（無(wú)符號(hào)的大于）：a代表的是above。這個(gè)組合也是非常好理解的，CF代表小于，則~CF代表大于等于，~ZF代表不等于，因此~CF&~ZF則代表大于等于且不等于，即大于。
?、ae->~CF（無(wú)符號(hào)的大于等于）：ae是above equals的意思。
比如對(duì)于setae %al指令來(lái)說(shuō)，%al是%eax寄存器中的最后一個(gè)字節(jié)，這個(gè)指令的含義是，將~CF的值設(shè)置到%eax寄存器的最后一個(gè)字節(jié)。
4、跳轉(zhuǎn)指令 jump
正常情況下，指令會(huì)按照他們出現(xiàn)的順序一條一條地執(zhí)行。而跳轉(zhuǎn)指令（jump）會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行切換到程序中一個(gè)全新的位置，我們可以理解為方法或者函數(shù)的調(diào)用。在匯編代碼中，這些跳轉(zhuǎn)的目的地通常用一個(gè)標(biāo)號(hào)（label）指明。比如如下代碼：
movl $0,%eax
jmpl .L1
movl (%eax),%edx
.L1:
popl %edx
指令 jmpl .L1 會(huì)導(dǎo)致程序跳過(guò) movl 指令，從 popl 開(kāi)始執(zhí)行。在產(chǎn)生目標(biāo)代碼文件時(shí)，匯編器會(huì)確定所有帶標(biāo)號(hào)指令的地址，并將跳轉(zhuǎn)目標(biāo)（目的指令的地址）編碼為跳轉(zhuǎn)指令的一部分。
如下圖所示，jump 指令有三種跳轉(zhuǎn)方式：
①直接跳轉(zhuǎn)：跳轉(zhuǎn)目標(biāo)是作為指令的一部分編碼的，比如上面的直接給一個(gè)標(biāo)號(hào)作為跳轉(zhuǎn)目標(biāo)
②間接跳轉(zhuǎn)：跳轉(zhuǎn)目標(biāo)是從寄存器或者存儲(chǔ)器位置中讀出的，比如 jmp *%eax 表示用寄存器 %eax 中的值作為跳轉(zhuǎn)目標(biāo)；再比如 jmp *(%eax) 以 %eax 中的值作為讀地址，從存儲(chǔ)器中讀取跳轉(zhuǎn)目標(biāo)。
③其他條件跳轉(zhuǎn)：根據(jù)條件碼的某個(gè)組合，或者跳轉(zhuǎn)，或者繼續(xù)執(zhí)行代碼序列中的下一條指令。
比如對(duì)于如下代碼：文件名為 hello.c
int exchange(int x,int y)
{
if(x < y){
return y-x;
}else{
return x-y;
}
}
我們執(zhí)行如下命令，將C程序hello.c變?yōu)閰R編程序 hello.s
gcc -O0 -S hello.c
-O0是優(yōu)化選項(xiàng)，還有O0 -->> O1 -->> O2 -->> O3，分別是從沒(méi)有優(yōu)化到優(yōu)化級(jí)別最高。
相信看了前面幾篇博客的相關(guān)指令介紹，這個(gè)匯編代碼不難理解。x,y分別存放于棧頂?shù)刂菲屏繛?4和-8的位置，然后比較x-y的值，也就是指令 cmpl -8(%rbp),%eax，如果x大于或等于y,那么跳轉(zhuǎn)到 .L2 的位置，然后計(jì)算 subl %eax,%ecx 的值，即x-y。
我們還可以通過(guò)如下命令生成目標(biāo)文件 hello.c
gcc -O0 -c hello.c
然后通過(guò)如下命令查看反匯編代碼
objdump -d hello.o
5、循環(huán)
C 語(yǔ)言提供了多種循環(huán)結(jié)構(gòu)，比如 do-while、while和for。匯編中沒(méi)有相應(yīng)的指令存在，我們可以用條件測(cè)試和跳轉(zhuǎn)指令組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)循環(huán)的效果。而大多數(shù)匯編器會(huì)根據(jù)一個(gè)循環(huán)的do-while 循環(huán)形式來(lái)產(chǎn)生循環(huán)代碼，即其他的循環(huán)一般也會(huì)先轉(zhuǎn)換成 do-while 形式，然后在編譯成機(jī)器代碼。
比如如下 do-while 循環(huán)：
上面的匯編代碼就不做過(guò)多的介紹了，應(yīng)該很容易看明白。
6、條件傳送指令 cmov
條件傳送指令。顧名思義，條件傳送指令的意思就是在滿足條件的時(shí)候進(jìn)行傳送的指令，也就是cmov指令。它與set指令十分相似，同樣有12種，也就是加上12種條件碼寄存器的組合即可，如下所示：
條件傳送指令相當(dāng)于一個(gè)if/else的賦值判斷，一般情況下，條件傳送指令的性能高于if/else的賦值判斷。但是因?yàn)闂l件傳送指令將對(duì)兩個(gè)表達(dá)式都求值，因此如果兩個(gè)表達(dá)式計(jì)算量很大時(shí)，那么條件傳送指令的性能就可能不如if/else的分支判斷了。不過(guò)總的來(lái)說(shuō)，這種情況還是很少的，因此條件傳送指令還是很有用的，只是并不是所有的處理器都支持條件傳送指令，這依賴于處理器以及編譯器的編譯方式。
條件傳送指令最大的缺點(diǎn)便是可能引起意料之外的錯(cuò)誤，比如對(duì)于下面這一段代碼。
int cread(int *xp){
return (xp ? *xp : 0);
}
咋一看，這一段代碼是沒(méi)問(wèn)題的，不過(guò)如果使用條件傳送指令去實(shí)現(xiàn)這段代碼的話，將可能引起空指針引用的錯(cuò)誤。因?yàn)闂l件傳送指令會(huì)先對(duì)兩個(gè)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，也就是說(shuō)無(wú)論xp是否有值，都將計(jì)算*xp這個(gè)表達(dá)式，因此當(dāng)xp為空指針0時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。由此可見(jiàn)，條件傳送指令也不是哪都能用的，通常情況下，編譯器會(huì)幫我們盡力處理這種錯(cuò)誤。