[C] C表达式中的汇编指令
C 表达式中的汇编指令
asm 为 gcc 中的关键字，asm 表达式为在 C代码中嵌套汇编指令，该表达式只是单纯的替换出汇编代码，并不对汇编代码的含义进行解析。
asm 表达式有两种形式，第二种 asm-qualifiers 包含了 goto 语句。
第一种形式为常见的用法，AssemblerTemplate 和 OutputOperands 必须存在, 其中 Clobbers 存在需要 InputOperands 也出现。
asm asm-qualifiers ( AssemblerTemplate
: OutputOperands
[ : InputOperands
[ : Clobbers ] ])
asm asm-qualifiers ( AssemblerTemplate
:
: InputOperands
: Clobbers
: GotoLabels)
Qualifiers 的类型
- volatile, 避免编译器的优化
- inline, 内敛限定符，最小的体积
- goto, 包含跳转指令
参数
- AssemblerTemplate
- 汇编指令模板是包含汇编器指令的文字字符串，编辑器替换引用输入，编译器不会解析该指令的含义。 - OutputOperands
- 由 AssemblerTemplate 中的指令修改的C变量的逗号分隔列表，允许使用空列表。 - InputOperands
- 由 AssemblerTemplate 中的指令读取的C变量的逗号分隔列表，允许使用空列表。 - Clobbers
- 用逗号分隔的寄存器列表或由 AssemblerTemplate 修改的值，不能出现在 OutputOperands 和 InputOperands 中被提及，允许使用空列表。 - GotoLabels
- 当使用asm的goto形式时，此部分包含 AssemblerTemplate 中的代码可能跳转到的所有C标签的列表。
AssemblerTemplate
汇编指令由一个字符串给出，多条汇编指令结合在一起使用的时候，中间以 \r\t 隔开，如
asm("inc %0\n\tinc %0" : "=r"(res) : "0"(res));
/APP
# 11 "asm.c" 1
inc %rax
inc %rax
# 0 "" 2
/NO_APPs
需要转义的字符：%, =, {, }, |
故在ATT汇编中，对寄存器进行操作的需要双 %%, 如 inc %%rax.
OutputOperands
操作数之间用逗号分隔。 每个操作数具有以下格式：
[ [asmSymbolicName] ] constraint (cvariablename)
- asmSymbolicName
- 为操作数指定名称，格式为%[name]
c // res = num asm("movq %[num], %[res]" : [res] "=r"(res) : [num] "m"(num));
- 如果未指定名称使用数字, 从 output 域开始，第一个参数为 %0, 一次类推, 这里的 res 为 %0, num 为 %1
c // res = num asm("movq %1, %0" : "=r"(res) : "m"(num)); - constraint
- 一个字符串常量，用于指定对操作数的存储的 约束, 需要以 "=" 或 "+" 开头 - cvariablename
- 指定一个C左值表达式来保存输出，通常是一个变量名。 括号是语法的必需部分
第一个参数为增加可读性使用的，现在我们有代码如下
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));
// 对应的汇编代码, 只保留asm表达式中的代码
# 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
- 使用名称替换和数字替换效果一样，见 asm-1 和 asm-2
- 约束的用法，这里使用比较简单通用的的两种情况，
r为通过寄存器寻址操作，m通过内存寻址操作，所以看到当约束了r就对应寄存器的操作。 - 结果保存在 res 也就是 cvariablename 中
InputOperands
输入操作数使C变量和表达式中的值可用于汇编代码。
[ [asmSymbolicName] ] constraint (cexpression)
- asmSymbolicName 和输出列表的用法完全一致
- constraint 约束不能使用
=和+. 可以使用 "0", 这表明在输出约束列表中（从零开始）的条目，指定的输入必须与输出约束位于同一位置。
int64_t res = 3;
int64_t num = 1;
asm("addq %1, %0" : "=g"(res) : "0"(num));
// 输入输出位置相同
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 可以不为左值，作为汇编表达式的输入值即可
Clobbers
破坏列表，主要用于指示编译器生成的汇编指令。
从asm表达式中看到输出操作数中列出条目的更改编译器是可以确定的，但内联汇编代码可能不仅对输出进行了修改。 例如，计算可能需要其他寄存器，或者处理器可能会由于特定汇编程序指令而破坏寄存器的值。 为了将这些更改通知编译器，在Clobber列表中列出这些会产生副作用的条目。 破坏列表条目可以是寄存器名称，也可以是特殊的破坏列表项（在下面列出）。 每个内容列表条目都是一个字符串常量，用双引号引起来并用逗号分隔。
-
寄存器
```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 寄存器，然后修改程序在 Clobbers 增加 %rax, 结果如下 ```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 ``` 编译器在产生的汇编代码中就未使用 %rax 寄存器了。 -
特殊破坏列表项
- "cc", 表示汇编代码修改了标志寄存器
- "memory", 为了确保内存中包含正确的值，编译器可能需要在执行asm之前将特定的寄存器值刷新到内存中
编译器为了破坏列表项的值受到破坏，当这些条目是寄存器时，不对其进行使用；为特殊参数时，重新刷新得到最新的值。
约束
- 一些基础的约束
| 约束名 | 说明 |
|---|---|
| whitespace | 空白字符被忽略 |
| m | 允许使用内存操作数，以及机器通常支持的任何类型的地址 |
| o | 允许使用内存操作数，但前提是地址是可偏移的 |
| V | 允许使用内存操作数，不可偏移的内存地址，与 "o'互斥 |
| r | 允许在通用寄存器中使用的寄存器操作数，其中可以指定寄存器，如 a(%rax), b(%rbx) |
| i | 允许使用立即整数操作数 |
| n | 允许使用具有已知数值的立即整数操作数, ‘I’, ‘J’, ‘K’, … ‘P’ 更应该使用 n |
| F | 允许使用浮点立即数 |
| g | 允许使用任何寄存器，内存或立即数整数操作数，但非通用寄存器除外 |
| X | 允许任何操作数, ‘0’, ‘1’, ‘2’, … ‘9’ |
| p | 允许使用有效内存地址的操作数 |
- 标识符约束
| 标识符 | 说明 |
|---|---|
| = | 表示此操作数是由该指令写入的：先前的值将被丢弃并由新数据替换 |
- | 表示该操作数由指令读取和写入
& | 表示（在特定替代方法中）此操作数是早期指令操作数，它是在使用输入操作数完成指令之前写入的，故输入操作数部分不能分配与输出操作数相同的寄存器
% | 表示该操作数与后续操作数的可交换指令
内核示例
- x86 的内存屏障指令。
// 避免编译器的优化，声明此处内存可能发生破坏
#define barrier() asm volatile("" ::: "memory")
// 在32位的CPU下，lock 指令为锁总线，加上一条内存操作指令就达到了内存屏障的作用，64位的cpu已经有新增的 *fence 指令可以使用
// mb() 执行一个内存屏障作用的指令，为指定CPU操作；破坏列表声明 cc memory 指示避免编译器进行优化
#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 下获取 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 为一个 struct task_struct 类型的指针，追踪宏调用，在x86-64 下命中了 case 8: 的汇编代码， 展开的代码为
asm("mov" "q ""%%""gs" ":" "%" "P1"",%0" : "=r" (pfo_ret__) : "p" (&(current_task)));
// 变换一下为
asm("movq %%gs:%P1, %0" : "=r"(pfo_ret__) : "p"(&(current_task)));
这行代码的含义为将 约束输入部分必须为有效的地址(p约束)， 将CPU id（通过段寄存器gs和偏移通过GDT得到，这里后文分析了）通过寄存器(r约束)赋值给 pfo_ret__.
