GCC在C语言中内嵌汇编 asm __volatile__

转自 http://blog.csdn.net/pbymw8iwm/article/details/8227839

 

在内嵌汇编中,可以将C语言表达式指定为汇编指令的操作数,而且不用去管如何将C语言表达式的值读入哪个寄存器,以及如何将计算结果写回C 变量,你只要告诉程序中C语言表达式与汇编指令操作数之间的对应关系即可, GCC会自动插入代码完成必要的操作。

1、简单的内嵌汇编
例:

       __asm__ __volatile__("hlt"); "__asm__"表示后面的代码为内嵌汇编,"asm"是"__asm__"的别名。"__volatile__"表示编译器不要优化代码,后面的指令 保留原样,"volatile"是它的别名。括号里面是汇编指令。

2、内嵌汇编举例
   使用内嵌汇编,要先编写汇编指令模板,然后将C语言表达式与指令的操作数相关联,并告诉GCC对这些操作有哪些限制条件。例如在下面的汇编语句:
    

__asm__ __violate__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "m" (input));


"movl %1,%0"是指令模板;"%0"和"%1"代表指令的操作数,称为占位符,内嵌汇编靠它们将C 语言表达式与指令操作数相对应。指令模板后面用小括号括起来的是C语言表达式,本例中只有两个:"result"和"input",他们按照出现的顺序分 别与指令操作数"%0","%1"对应;注意对应顺序:第一个C 表达式对应"%0";第二个表达式对应"%1",依次类推,操作数至多有10 个,分别用"%0","%1"...."%9"表示。在每个操作数前面有一个用引号括起来的字符串,字符串的内容是对该操作数的限制或者说要求。 "result"前面的限制字符串是"=r",其中"="表示"result"是输出操作数,"r" 表示需要将"result"与某个通用寄存器相关联,先将操作数的值读入寄存器,然后在指令中使用相应寄存器,而不是"result"本身,当然指令执行 完后需要将寄存器中的值存入变量"result",从表面上看好像是指令直接对"result"进行操作,实际上GCC做了隐式处理,这样我们可以少写一 些指令。"input"前面的"r"表示该表达式需要先放入某个寄存器,然后在指令中使用该寄存器参加运算。
   C表达式或者变量与寄存器的关系由GCC自动处理,我们只需使用限制字符串指导GCC如何处理即可。限制字符必须与指令对操作数的要求相匹配,否则产生的 汇编代码将会有错,读者可以将上例中的两个"r",都改为"m"(m表示操作数放在内存,而不是寄存器中),编译后得到的结果是:
             movl input, result
很明显这是一条非法指令,因此限制字符串必须与指令对操作数的要求匹配。例如指令movl允许寄存器到寄存器,立即数到寄存器等,但是不允许内存到内存的操作,因此两个操作数不能同时使用"m"作为限定字符。

内嵌汇编语法如下:
       __asm__(汇编语句模板: 输出部分: 输入部分: 破坏描述部分)
共四个部分:汇编语句模板,输出部分,输入部分,破坏描述部分,各部分使用":"格开,汇编语句模板必不可少,其他三部分可选,如果使用了后面的部分,而前面部分为空,也需要用":"格开,相应部分内容为空。例如:
             __asm__ __volatile__("cli": : :"memory")

1、汇编语句模板
    汇编语句模板由汇编语句序列组成,语句之间使用";"、"\n"或"\n\t"分开。指令中的操作数可以使用占位符引用C语言变量,操作数占位符最多10个,名称如下:%0,%1,...,%9。指令中使用占位符表示的操作数,总被视为long型(4个字节),但对其施加的操作根据指令可以是字或者字节,当把操作数当作字或者字节使用时,默认为低字或者低字节。对字节操作可以显式的指明是低字节还是次字节。方法是在%和序号之间插入一个字母,"b"代表低字节,"h"代表高字节,例如:%h1。

2、输出部分
    输出部分描述输出操作数,不同的操作数描述符之间用逗号格开,每个操作数描述符由限定字符串和C 语言变量组成。每个输出操作数的限定字符串必须包含"="表示他是一个输出操作数。
例:
           __asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x) )
描述符字符串表示对该变量的限制条件,这样GCC 就可以根据这些条件决定如何分配寄存器,如何产生必要的代码处理指令操作数与C表达式或C变量之间的联系。

3、输入部分
输入部分描述输入操作数,不同的操作数描述符之间使用逗号格开,每个操作数描述符由限定字符串和C语言表达式或者C语言变量组成。
例1 :
             __asm__ __volatile__ ("lidt %0" : : "m" (real_mode_idt));
例二(bitops.h):


Static __inline__ void __set_bit(int nr, volatile void * addr)
{
         __asm__(
                         "btsl %1,%0"
                         :"=m" (ADDR)
                         :"Ir" (nr));
}

后 例功能是将(*addr)的第nr位设为1。第一个占位符%0与C 语言变量ADDR对应,第二个占位符%1与C语言变量nr对应。因此上面的汇编语句代码与下面的伪代码等价:btsl nr, ADDR,该指令的两个操作数不能全是内存变量,因此将nr的限定字符串指定为"Ir",将nr 与立即数或者寄存器相关联,这样两个操作数中只有ADDR为内存变量。

4、限制字符
   4.1、限制字符列表
   限制字符有很多种,有些是与特定体系结构相关,此处仅列出常用的限定字符和i386中可能用到的一些常用的限定符。它们的作用是指示编译器如何处理其后的C语言变量与指令操作数之间的关系。

   分类            限定符                    描述
  通用寄存器       "a"               将输入变量放入eax
                                              这里有一个问题:假设eax已经被使用,那怎么办?
                                 其实很简单:因为GCC 知道eax 已经被使用,它在这段汇编代码
                                 的起始处插入一条语句pushl %eax,将eax 内容保存到堆栈,然
                                 后在这段代码结束处再增加一条语句popl %eax,恢复eax的内容
                   "b"               将输入变量放入ebx
                             "c"               将输入变量放入ecx
                             "d"                将输入变量放入edx
                             "s"               将输入变量放入esi
                             "d"               将输入变量放入edi
                             "q"              将输入变量放入eax,ebx,ecx,edx中的一个
                   "r"               将输入变量放入通用寄存器,也就是eax,ebx,ecx,
                                         edx,esi,edi中的一个
                     "A"              把eax和edx合成一个64 位的寄存器(use long longs)

       内存             "m"             内存变量
                     "o"             操作数为内存变量,但是其寻址方式是偏移量类型,
                                       也即是基址寻址,或者是基址加变址寻址
                     "V"             操作数为内存变量,但寻址方式不是偏移量类型
                     " "             操作数为内存变量,但寻址方式为自动增量
                     "p"             操作数是一个合法的内存地址(指针)

     寄存器或内存     "g"             将输入变量放入eax,ebx,ecx,edx中的一个
                                       或者作为内存变量
                       "X"            操作数可以是任何类型

     立即数
                     "I"             0-31之间的立即数(用于32位移位指令)
                       "J"             0-63之间的立即数(用于64位移位指令)
                     "N"             0-255之间的立即数(用于out指令)
                     "i"             立即数  
                     "n"            立即数,有些系统不支持除字以外的立即数,
                                       这些系统应该使用"n"而不是"i"

     匹配             " 0 ",         表示用它限制的操作数与某个指定的操作数匹配,
                     "1" ...               也即该操作数就是指定的那个操作数,例如"0"
                       "9"            去描述"%1"操作数,那么"%1"引用的其实就
                                       是"%0"操作数,注意作为限定符字母的0-9 与
                                       指令中的"%0"-"%9"的区别,前者描述操作数,
                                       后者代表操作数。
                       &                     该输出操作数不能使用过和输入操作数相同的寄存器

    操作数类型         "="          操作数在指令中是只写的(输出操作数)  
                       "+"          操作数在指令中是读写类型的(输入输出操作数)

     浮点数             "f"          浮点寄存器
                       "t"           第一个浮点寄存器
                       "u"          第二个浮点寄存器
                       "G"          标准的80387浮点常数
                       %                   该操作数可以和下一个操作数交换位置
                                       例如addl的两个操作数可以交换顺序
                                      (当然两个操作数都不能是立即数)
                       #                   部分注释,从该字符到其后的逗号之间所有字母被忽略
                       *                     表示如果选用寄存器,则其后的字母被忽略

5、破坏描述部分
   破坏描述符用于通知编译器我们使用了哪些寄存器或内存,由逗号格开的字符串组成,每个字符串描述一种情况,一般是寄存器名;除寄存器外还有"memory"。例如:"%eax","%ebx","memory"等。

"memory"比较特殊,可能是内嵌汇编中最难懂部分。为解释清楚它,先介绍一下编译器的优化知识,再看C关键字volatile。最后去看该描述符。

1、编译器优化介绍
   内存访问速度远不及CPU处理速度,为提高机器整体性能,在硬件上引入硬件高速缓存Cache,加速对内存的访问。另外在现代CPU中指令的执行并不一定 严格按照顺序执行,没有相关性的指令可以乱序执行,以充分利用CPU的指令流水线,提高执行速度。以上是硬件级别的优化。再看软件一级的优化:一种是在编 写代码时由程序员优化,另一种是由编译器进行优化。编译器优化常用的方法有:将内存变量缓存到寄存器;调整指令顺序充分利用CPU指令流水线,常见的是重 新排序读写指令。对常规内存进行优化的时候,这些优化是透明的,而且效率很好。由编译器优化或者硬件重新排序引起的问题的解决办法是在从硬件(或者其他处 理器)的角度看必须以特定顺序执行的操作之间设置内存屏障(memory barrier),linux 提供了一个宏解决编译器的执行顺序问题。
                             void Barrier(void)
这个函数通知编译器插入一个内存屏障,但对硬件无效,编译后的代码会把当前CPU寄存器中的所有修改过的数值存入内存,需要这些数据的时候再重新从内存中读出。

2、C语言关键字volatile
     C 语言关键字volatile(注意它是用来修饰变量而不是上面介绍的__volatile__)表明某个变量的值可能在外部被改变,因此对这些变量的存取 不能缓存到寄存器,每次使用时需要重新存取。该关键字在多线程环境下经常使用,因为在编写多线程的程序时,同一个变量可能被多个线程修改,而程序通过该变 量同步各个线程,例如:
     DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal)
     {
       int* intSignal=reinterpret_cast<int*>(signal);
       *intSignal=2;
       while(*intSignal!=1)
                 sleep(1000);
       return 0;
     }
该线程启动时将intSignal 置为2,然后循环等待直到intSignal 为1 时退出。显然intSignal的值必须在外部被改变,否则该线程不会退出。但是实际运行的时候该线程却不会退出,即使在外部将它的值改为1,看一下对应的伪汇编代码就明白了:
   mov ax,signal
     label:
     if(ax!=1)
               goto label

   对于C编译器来说,它并不知道这个值会被其他线程修改。自然就把它cache在寄存器里面。记住,C 编译器是没有线程概念的!这时候就需要用到volatile。volatile 的本意是指:这个值可能会在当前线程外部被改变。也就是说,我们要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile关键字,这时 候,编译器知道该变量的值会在外部改变,因此每次访问该变量时会重新读取,所作的循环变为如下面伪码所示:
   label:
     mov ax,signal
     if(ax!=1)
             goto label

3、Memory
     有了上面的知识就不难理解Memory修改描述符了,Memory描述符告知GCC:
     1)不要将该段内嵌汇编指令与前面的指令重新排序;也就是在执行内嵌汇编代码之前,它前面的指令都执行完毕
     2)不要将变量缓存到寄存器,因为这段代码可能会用到内存变量,而这些内存变量会以不可预知的方式发生改变,因此GCC插入必要的代码先将缓存到寄存器的变量值写回内存,如果后面又访问这些变量,需要重新访问内存。

   如果汇编指令修改了内存,但是GCC 本身却察觉不到,因为在输出部分没有描述,此时就需要在修改描述部分增加"memory",告诉GCC 内存已经被修改,GCC 得知这个信息后,就会在这段指令之前,插入必要的指令将前面因为优化Cache 到寄存器中的变量值先写回内存,如果以后又要使用这些变量再重新读取。

   使用"volatile"也可以达到这个目的,但是我们在每个变量前增加该关键字,不如使用"memory"方便

 

关于编译器优化的两个类型限定词:volatile和restrict

http://www.diybl.com/course/3_program/c++/cppjs/2008331/107755.html

 

最近开始学习C语言,想把学习过程中的一些心得记录下来,权当自己学习经历中的笔记吧。如果你无意中看到这些文章,能帮我指出其中一些理解不正确的地方,在这里小弟将万分感谢。呵呵。
       volatile和restrict这两个类型限定词的运用与编译器的优化存在着一定的关系。volatile这个关键字用在变量类型定义上,指明这个变量的值存在不确定因素。也就是说这个变量不光会被我们编写的程序改变值,也可能会被某个外部代理改变(比如:某个硬件中断、外部程序等)。这样就不能保证如果程序没有改变这个变量值,而又存在多次调用后进入寄存器中的值就一定正确。
       从编译器的优化角度,举个例子:
       int x=5;
       int a, b;
       a = x;
       b = x;
       由于程序没有更改X的值,但又存在多次调用,编译器为了优化运行速度,会给a赋值后,把X的值5从内存放入到寄存器中。当给b赋值时,不是再次读取X内存地址中的值,而是直接把寄存器中的5赋给b。这一优化对于普通变量没有问题。但如果定义成 volatile int x;则表明x可以被程序代码外的其他代理改变值。如果编译器也采用这样的优化,很可能在给b赋值时,x的值已经被程序外部的某个硬件中断改变了。这样从寄存器获取到的值肯定是不正确的。
       因此当给变量加上volatile关键字,除了表示这一变量可以被其他代理改变值,也明确说明编译器不能为此变量进行上面那种方式的优化:每次调用这一变量,都从变量的地址中获取值,而不是寄存器(此变量使用的硬件内存地址是与其他并行运行的程序共享数据的,因此不管是程序自身改变变量值,还是其他代理改变变量值,都是改变内存地址中的数据)。
      看个有趣的例子:
      int square(volatile int *a)
      {
           return (*a * *a);
      }
      函数的目的本来是计算平方根,但由于a指针用了volatile关键字,两次获取a指针地址中的值不能完全保证一样,所以计算出来的结果也未必就是我们需要的。考虑修改成这样:
      int square(volatile int *a)
      {
           int temp = *a;
           return (temp * temp);
      }

      restrict关键字只能用来修饰指针,表示被定义的指针是访问指针中数据的唯一途径。这一目的是告诉编译器可以进行一些优化。看个例子:
      int x = 2;
      int *a = (int *) malloc(sizeof(int));
      *a = 2;
      int *b = &x;
      *a += 2;
      *b += 2;
      x *= 3;
      *a += 3;
      *b += 3; 
     编译器进行优化时可以用一条语句代替:*a += 5;这对于a来说是正确的,但如果用*b += 5来优化b是不正确的。因为其他变量影响了结果。因此,当编译器不确定某些因素时,会放弃寻找某个途径进行优化。如果在变量前加上restrict关键字。则告诉编译器可以“放心大胆”的进行优化。但编译器并不会验证你定义为restrict的指针,是否真正是某个数据的唯一访问途径;就像数组的下标越界一样,如果你不遵守规则,编译器并不会指出错误,但后果由你自己负责:)
     同样看个有趣的类子:
    void change_array(restrict int *array, const restrict int *value,const int size)
    {
           for(int i=0;i<size;i++)
           {
                  array[i] += *value;
           }
    }

    int main(void)
    {
           int *array[SIZE]  = {1,2,3};

          change_array(array,&array[0],SIZE);

          for(int i=0;i<SIZE;i++)
          {
                printf("%d \n",array[i]);
         }
     }
     如果编译器支持优化,运行后的结果是:2   3   4   而不是实际正确的结果:2   4   5 。这是在定义函数时,指明两个指针为restrict,因此编译器进行优化了:在程序调用函数时,将value指针的变量值在寄存器中生成了一个副本。后面的执行都是获取寄存器上的value值。同时可以看出,当你没有遵守restrict定义的指针指向的变量只能通过该指针修改的规则时(函数中 value指针指向的数据,在main调用时,array指针也进行了修改),编译器不会检查。
    对于优化来说,volatile是强制性,而restrict是建议性。也就是加了volatile则强制不进行优化,而加入restrict编译器也不一定肯定优化。大部分情况下restrict和什么都不加编译结果相同,restrict只是告诉编译器可以自由地做一些相关优化的假定。同时也告诉调用者仅使用满足restrict定义条件的参数,如果你不遵守,嘿嘿。。。

     restrict这个关键字是C99标准加入,在C++中不支持,因此我在VC++中加入restrict关键字编译不了:(
     关于restrict的加入,在网上还找到一段小故事:
     为了提高 Cray机器上的效率, ANSI C委员会提出过一种称为noalias的机制来解决这个问题,用它来说明某个C指针可以认为是没有别名, 只是这种机制不成熟,这件事激怒了Dennis Ritchie,拿他对C的标准化过程做了唯一的一次干预。他写了一封公开信说“noalias必须靠边站,这一点是不能协商的。”  

      后来Cray的Mike Holly又抓起了这个难题,向数值C语言扩充工作组和C++委员会提出了一种改进的反别名建议。所建议的想法是允许程序员说明一个指针可以认为是没有别名的,采用的方式是将它说明为restrict。  这个建议C99采纳了,但标准C++拒绝了。

posted @ 2015-04-15 16:58  IT由零开始  阅读(8215)  评论(1编辑  收藏  举报