深入理解计算机系统（3.4）---算数与逻辑运算指令详解

引言

 

　　上一章我们已经着重讨论了数据传送（或者说复制）指令，相信各位猿友现在都已经对此有一些了解了。说真的，LZ在看第三章的过程中，不断的被汇编的魅力深深的震撼，这些看似简单的汇编指令，却可以将复杂的程序井然有序的执行完毕，实在是让人惊叹。时至今日，这本看似枯燥无比却实则魅力十足的书，已经深深的将LZ吸引了。

　　希望各位猿友也有这样的感觉，这是一种非常好的感觉，接下来，各位就一起和LZ来认识认识新的指令吧。

 

算术与逻辑运算指令

 

　　算术与逻辑运算包括很多种，估计各位猿友也能很快的想出来，比如最常见的加减乘除、与或非、左移右移等等。这里可能还有一个各位猿友不太容易想到的，就是取地址运算符，不过这个运算指令却是LZ看过这一部分之后，觉得最精妙的一个指令。

　　接下来LZ将书中的一个表格贴上来，各位猿友可以先大致浏览下里面的指令。

　　这里面比较特别的指令就是leal（取地址指令），其余的指令都是比较常规的算术和逻辑运算，相比之下还比较好理解，因此LZ这里重点介绍leal指令，对于其余的指令LZ不会一一介绍，接下来我们就认识一下这个特别的leal指令吧。

 

leal指令

 

　　leal指令是非常神奇的一个指令，它可以取一个存储器操作数的地址，并且将其赋给目的操作数。如果用C语言当中来对应的话，它就相当于&运算。

　　比如对于leal 4(%edx,%edx,4),%eax这条指令来讲，我们假设%edx寄存器的值为x的话，那么这条指令的作用就是将 4 + x + 4x = 5x + 4赋给%eax寄存器。它和mov指令的区别就在于，假设是movl 4(%edx,%edx,4),%eax这个指令，它的作用是将内存地址为5x+4的内存区域的值赋给%eax寄存器，而leal指令只是将5x+4这个地址赋给目的操作数%eax而已，它并不对存储器进行引用的值的计算。

　　为了更好的表示这条指令的效果，LZ这里简单的画个图来表示这一过程。我们假设下图是执行指令之前，寄存器和存储器的状态。

　　可以看到，此时在存储器中，地址为5x+4的区域的值为1000。那么此时若是进行movl 4(%edx,%edx,4),%eax操作，很显然，%eax的值应该为1000，也就是下图。

　　但是如果进行leal 4(%edx,%edx,4),%eax操作的话，%eax的值就不是1000了，因为leal指令不会去取存储器当中的值，因此寄存器%eax的值应该是5x+4。

　　试想一下，倘若在地址为5x+4的位置存储的是变量i，那么其实这条指令就相当于&i操作，这也就是C语言当中的&取地址操作的汇编级做法。各位猿友感觉如何，是否很神奇呢。

 

一个示例

 

　　由于其它的指令都相对比较简单，因此LZ这里就不一一介绍了，这里我们用一个小程序来做一个示例，顺便也去看一下上面的算术与逻辑运算指令都是被如何使用的。我们就考虑书上的一个小例子，其中的C程序代码如下。

int arith(int x, int y , int z){
    int t1 = x+y;
    int t2 = z*48;
    int t3 = t1&0xFFFF;
    int t4 = t2*t3;
    return t4;
}

　　这里面包含了加、乘、与运算，我们使用-O1和-S参数编译sum.c这个文件，使用cat sum.s查看它，会得到如下的汇编代码。

    .file    "sum.c"
    .text
.globl arith
    .type    arith, @function
arith:
    pushl    %ebp
    movl    %esp, %ebp
　　//以上为栈帧建立
    movl    16(%ebp), %eax
    leal    (%eax,%eax,2), %edx
    sall    $4, %edx
    movl    12(%ebp), %eax
    addl    8(%ebp), %eax
    andl    $65535, %eax
    imull    %edx, %eax
　　//以下为栈帧完成
    popl    %ebp
    ret
    .size    arith, .-arith
    .ident    "GCC: (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5.1) 4.4.3"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

　　这里面还有leal指令，可以看到程序当中并没有取地址&操作，所以这里的leal指令不是用来取地址的，LZ使用图示来给各位演示这个程序的运行过程。首先便是栈帧的建立过程，栈帧建立好以后，寄存器和存储器的状态如下所示。

　　以上便是建立好的栈帧，同上一次一样，帧指针和栈指针都指向一个新的位置，在帧指针偏移量为8、12、16的地方存储着传递进来的参数x、y、z。接下来我们就开始分析，在汇编代码层次，是如何完成上述C语言程序当中的一系列动作的。

　　首先是一个mov指令，它的作用很简单，就是将参数z取入寄存器，下面是它的汇编代码以及图示。

movl    16(%ebp), %eax

　　上面的指令比较简单，接下来的这条指令就比较特别了，是一条leal指令。这里的leal指令不是用来取地址的，而是用来进行乘法运算的，它的目的是将%eax寄存器当中的值乘以3，然后发送至%edx寄存器。而采用的方式则是2*x + x的方式，这正是我们之前讲过的乘法优化算法，使用移位和加法来计算乘法。接下来看看它的指令与图示。

    leal    (%eax,%eax,2), %edx

　　上面计算3z的目的，在接下来这一条指令就看出来了。接下来的一条指令是sal左移操作，位数为4，左移4位其实就相当于乘以16，因此接下来的一条指令其实就相当于将寄存器%edx当中的值乘以16，这其实刚好是在计算48*z。从这里也可以看出来，在执行C程序的时候，并不一定会按照程序当中的顺序去计算。以下是sal指令的内容与图示。

    sall    $4, %edx

　　接下来的指令依然是简单的取参数y，因此LZ这里就不再多解释了，直接上内容和图示。

    movl    12(%ebp), %eax

　　下面的一条指令是add加法指令，它是将左边操作数的值加到右边的目的操作数。也就是将内存地址为8(%ebp)的值加到%eax寄存器，而8(%ebp)这个位置存的刚好是x，因此这里计算的便是x+y的值，而结果会存入%eax寄存器。以下是指令的内容和图示。

    addl    8(%ebp), %eax

　　接下来是一条与运算指令and，它计算的则是t1与0xFFFF（十进制就是65535）的与运算，t1的值为x+y，此时就存在%eax寄存器。我们来看下这条指令的内容与图示。

    andl    $65535, %eax

　　接下来是最后一个计算过程的指令imul乘法指令，它的作用也是将左边操作数的值乘到右边的目的操作数上。也就是将%edx寄存器的值乘到%eax寄存器上面去，而%edx此时的值为48*z（也就是t2），而%eax的值为(x+y)&0xFFFF（也就是t3），两者相乘则得到t4的值，结果将存在%eax寄存器，并且作为返回值返回。以下为内容与图示。

    imull    %edx, %eax

　　到此，我们整个计算过程就结束了，其中用到了一些算术与逻辑运算指令，其实它们并没有什么难度，相信各位在LZ的图示解释下，应该也不难明白。最后则是栈帧的完成部分，以下为当前帧释放后的状态。

　　在这里LZ提一点，各位猿友估计也注意到了，每次在%ebp偏移量为4的位置都是空着的，而参数都在8、12、16这样的位置，难道偏移量为4的位置是空的吗。这里其实不是空的，它存储的是返回地址，只是LZ这里为了简化理解，因此没有考虑这些。这一点在后面的过程实现一章中会有详细的讲解。

 

文章小结

 

　　本章的主要内容是认识一些常见的算术与逻辑运算指令，它们其实并不难掌握，接下来的一章，我们将会认识一些不太常用的算术操作指令。总的来说，第三章的内容还是非常有趣的，希望各位猿友要坚持看下去，无论是看书还是看LZ的博文，都未尝不可。