內聯匯編很可怕嗎？看完這篇文章，終結它！
在 Linux 代碼中，經常可以看到在 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的，要么是對性能有關鍵影響的。
在很久以前，我特別懼怕內嵌匯編代碼，直到后來把匯編部分的短板補上之后，才徹底終結這種心理。
也許你在工作中，幾乎不會涉及到內嵌匯編代碼的工作，但是一旦進入到系統的底層，或者需要對時間關鍵場景進行優化，這個時候你的知識儲備就發揮重要作用了!
這篇文章，我們就來詳細聊一聊在 C 語言中，如何通過 asm 關鍵字來嵌入匯編語言代碼，文中的 8 個示例代碼從簡單到復雜，逐步深入地介紹內聯匯編的關鍵語法規則。
希望這篇文章能夠成為你進階高手路上的墊腳石!
PS:
- 示例代碼中使用的是 Linux 系統中 AT&T 匯編語法;
- 文章中的 8 個示例代碼，可以在公眾號后臺回復【426】，即可收到下載地址;
一、基本 asm 格式
- gcc 編譯器支持 2 種形式的內聯 asm 代碼：
- 基本 asm 格式：不支持操作數;
擴展 asm 格式：支持操作數;
1. 語法規則
asm [volatile] ("匯編指令")
- 所有指令，必須用雙引號包裹起來;
- 超過一條指令，必須用\n分隔符進行分割，為了排版，一般會加上\t;
- 多條匯編指令，可以寫在一行，也可以寫在多行;
- 關鍵字 asm 可以使用 asm 來替換;
- volatile 是可選的，編譯器有可能對匯編代碼進行優化，使用 volatile 關鍵字之后，告訴編譯器不要優化手寫的內聯匯編代碼。
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語言中會自動把兩個連續的字符串字面量拼接成一個，所以"nop\n\tnop\n\t" "nop"這兩個字符串會自動拼接成一個字符串。
生成匯編代碼指令：
- gcc -m32 -S -o test1.s test1.c
test1.s 中內容如下(只貼出了內聯匯編代碼相關部分的代碼)：
- #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，內聯匯編代碼被兩個注釋(#APP ... #NO_APP)包裹起來。在源碼中嵌入了兩個匯編代碼，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 代碼中嵌入匯編指令，目的是用來計算，或者執行一定的功能，下面我們就來看一下，如何在內聯匯編指令中，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;
- }
關于匯編指令中編譯器的基本知識：
eax, ebx 都是 x86 平臺中的寄存器(32位)，在基本asm格式中，寄存器的前面必須加上百分號%。
32 位的寄存器 eax 可以當做 16 位來使用(ax)，或者當做 8 位來使用(ah, al)，本文只會按照 32 位來使用。
代碼說明：
- movl a, %eax // 把變量a的值復制到 %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，結果放在 %eax 寄存器中;
- movl %eax, c // 把 %eax 寄存器中的值復制到變量 c 中;
生成匯編代碼指令：
- gcc -m32 -S -o test2.s test2.c
test2.s 內容如下(只貼出與內聯匯編代碼相關部分)：
- #APP
- # 9 "test2.c" 1
- movl a, %eax
- addl b, %eax
- movl %eax, c
- # 0 "" 2
- #NO_APP
可以看到，在內聯匯編代碼中，可以直接使用全局變量 a, b 的名稱來操作。執行 test2，可以得到正確的結果。
思考一個問題：為什么在匯編代碼中，可以使用變量a, b, c?
查看 test2.s 中內聯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，相當于是把它們導出為全局的，所以可以在匯編代碼中使用。
那么問題來了：如果是一個局部變量，在匯編代代碼中就不會用 .globl 導出，此時在內聯匯編指令中，還可以直接使用嗎?
眼見為實，我們把這 3 個變量放到 main 函數的內部，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 的導出符號，a 和 b 沒有其他地方使用，因此直接把他們的數值復制到?？臻g中了：
- movl $1, -20(%ebp)
- movl $2, -16(%ebp)
我們來嘗試編譯成可執行程序：
- $ 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
編譯報錯：找不到對 a,b,c 的引用!那該怎么辦，才能使用局部變量呢?擴展 asm 格式!
二、擴展 asm 格式
1. 指令格式
asm [volatile] ("匯編指令" : "輸出操作數列表" : "輸入操作數列表" : "改動的寄存器")
格式說明
- 匯編指令：與基本asm格式相同;
- 輸出操作數列表：匯編代碼如何把處理結果傳遞到 C 代碼中;
- 輸入操作數列表：C 代碼如何把數據傳遞給內聯匯編代碼;
- 改動的寄存器：告訴編譯器，在內聯匯編代碼中，我們使用了哪些寄存器;
- “改動的寄存器”可以省略，此時最后一個冒號可以不要，但是前面的冒號必須保留，即使輸出/輸入操作數列表為空。
關于“改動的寄存器”再解釋一下：gcc 在編譯 C 代碼的時候，需要使用一系列寄存器;我們手寫的內聯匯編代碼中，也使用了一些寄存器。
為了通知編譯器，讓它知道: 在內聯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 就會避免使用這些列舉出的寄存器
2. 輸出和輸入操作數列表的格式
在系統中，存儲變量的地方就2個：寄存器和內存。因此，告訴內聯匯編代碼輸出和輸入操作數，其實就是告訴它：
- 向哪些寄存器或內存地址輸出結果;
- 從哪些寄存器或內存地址讀取輸入數據;
這個過程也要滿足一定的格式：
"[輸出修飾符]約束"(寄存器或內存地址)
(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: 使用變量的內存位置;
先記住這幾個就夠用了，其他的約束選項還有：D, S, q, A, f, t, u等等，需要的時候再查看文檔。
(2)輸出修飾符
顧名思義，它使用來修飾輸出的，對輸出寄存器或內存地址提供額外的說明，包括下面4個修飾符：
- +：被修飾的操作數可以讀取，可以寫入;
- =：被修飾的操作數只能寫入;
- %：被修飾的操作數可以和下一個操作數互換;
- &：在內聯函數完成之前，可以刪除或者重新使用被修飾的操作數;
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 個地方需要注意一下?。?/p>
- 在內聯匯編代碼中，沒有聲明“改動的寄存器”列表，也就是說可以省略掉(前面的冒號也不需要);
- 擴展asm格式中，寄存器前面必須寫 2 個%;
代碼解釋：
- "b"(data1),"c"(data2) ==> 把變量 data1 復制到寄存器 %ebx，變量 data2 復制到寄存器 %ecx。這樣，內聯匯編代碼中，就可以通過這兩個寄存器來操作這兩個數了;
- "=a"(data3) ==> 把處理結果放在寄存器 %eax 中，然后復制給變量data3。前面的修飾符等號意思是：會寫入往 %eax 中寫入數據，不會從中讀取數據;
通過上面的這種格式，內聯匯編代碼中，就可以使用指定的寄存器來操作局部變量了，稍后將會看到局部變量是如何從經過?？臻g，復制到寄存器中的。
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，在進入手寫的內聯匯編代碼之前：
- 把數字 1 通過?？臻g(-20(%ebp))，復制到寄存器 %eax，再復制到寄存器 %ebx;
- 把數字 2 通過棧空間(-16(%ebp))，復制到寄存器 %edx，再復制到寄存器 %ecx;
這 2 個操作正是對應了內聯匯編代碼中的“輸入操作數列表”部分："b"(data1),"c"(data2)。
在內聯匯編代碼之后(#NO_APP 之后)，把 %eax 寄存器中的值復制到棧中的 -12(%ebp) 位置，這個位置正是局部變量 data3 所在的位置，這樣就完成了輸出操作。
4. test5.c 聲明改動的寄存器
在 test4.c 中，我們沒有聲明改動的寄存器，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：在內聯匯編代碼中，我們會使用到 %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，在內聯匯編代碼之前，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 個寄存器來操作 2 個局部變量，如果操作數有很多，那么在內聯匯編代碼中去寫每個寄存器的名稱，就顯得很不方便。
因此，擴展 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列表中的寄存器：占位符!
占位符有點類似于批處理腳本中，利用 2...來引用輸入參數一樣，內聯匯編代碼中的占位符，從輸出操作數列表中的寄存器開始從 0 編號，一直編號到輸入操作數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寄存器來存儲結果，最后復制到局部變量 data3中;
- 輸入操作數列表"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 個寄存器來接收局部變量 data1 和 data2;
- 輸出操作數列表中只需要一個寄存器，因此在內聯匯編代碼中的 %0 就代表這個寄存器(即：從 0 開始計數);
- 輸入操作數列表中有 2 個寄存器，因此在內聯匯編代碼中的 %1 和 %2 就代表這 2 個寄存器(即：從輸出操作數列表的最后一個寄存器開始順序計數);
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 來存儲局部變量 data1，%edx 來存儲局部變量 data2 ，然后操作結果也存儲在 %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。
在內聯匯編代碼中，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還是麻煩，容易出錯，還有另一個更方便的操作：擴展 asm 格式還允許給這些占位符重命名，也就是給每一個寄存器起一個別名，然后在內聯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：
- 輸出操作數列表：給寄存器(gcc 編譯器選擇的)取了一個別名 v3;
- 輸入操作數列表：給寄存器(gcc 編譯器選擇的)取了一個別名 v1 和 v2;
起立別名之后，在內聯匯編代碼中就可以直接使用這些別名( %[v1], %[v2], %[v3])來操作數據了。
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、使用內存位置
在以上的示例中，輸出操作數列表和輸入操作數列表部分，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據，速度會更快一些。
如果我們愿意的話，也可以直接使用變量的內存地址來操作變量，此時就需要使用約束字符 m。
1. test8.c 使用內存地址來操作數據
- #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：
- 輸出操作數列表 "=m"(data3)：直接使用變量 data3 的內存地址;
- 輸入操作數列表 "m"(data1),"m"(data2)：直接使用變量 data1, data2 的內存地址;
在內聯匯編代碼中，因為需要進行相加計算，因此需要使用一個寄存器(%eax)，計算這個環節是肯定需要寄存器的。
在操作那些內存地址中的數據時，使用的仍然是按順序編號的占位符。
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：在進入內聯匯編代碼之前，把 data1 和 data2 的值放在了棧中，然后直接把棧中的數據與寄存器 %eax 進行操作，最后再把操作結果(%eax)，復制到棧中 data3 的位置(-16(%ebp))。
五、總結
通過以上 8 個示例，我們把內聯匯編代碼中的關鍵語法規則進行了講解，有了這個基礎，就可以在內聯匯編代碼中編寫更加復雜的指令了。
