一、基本 asm 格式

1. 語法規(guī)則

2.test1.c 插入空指令

3. test2.c操作全局變量

4. test3.c 嘗試操作局部變量

二、擴展 asm 格式

1. 指令格式

2.輸出和輸入操作數(shù)列表

3.test4.c通過寄存器操作局部變量

4. test5.c聲明使用的寄存器

三、使用占位符來代替寄存器名稱

1. test6.c使用占位符代替寄存器名

2. test7.c 給寄存器起別名

四、使用內(nèi)存地址

1.test8.c 使用內(nèi)存地址來操作數(shù)據(jù)

五、總結(jié)

在 Linux 代碼中，經(jīng)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(nèi)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(jié)這種心理。

也許你在工作中，幾乎不會涉及到內(nèi)嵌匯編代碼的工作，但是一旦進入到系統(tǒng)的底層，或者需要對時間關鍵場景進行優(yōu)化，這個時候你的知識儲備就發(fā)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?yún)R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(nèi)聯(lián)匯編的關鍵語法規(guī)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(tǒng)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(nèi)聯(lián) asm 代碼：

基本 asm 格式：不支持操作數(shù)；

擴展 asm 格式：支持操作數(shù)；

1. 語法規(guī)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 分隔符進行分割，為了排版，一般會加上 ；

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(yōu)化，使用 volatile 關鍵字之后，告訴編譯器不要優(yōu)化手寫的內(nèi)聯(lián)匯編代碼。

2. test1.c 插入空指令

#include 
int main()
{
    asm ("nop");
    printf("hello
");
    asm ("nop
	nop
	"
 "nop");
    return 0;
}

注意：C語言中會自動把兩個連續(xù)的字符串字面量拼接成一個，所以"nop nop " "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(nèi)容如下(只貼出了內(nèi)聯(lián)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(nèi)聯(lián)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?yún)R編指令，目的是用來計算，或者執(zhí)行一定的功能，下面我們就來看一下，如何在內(nèi)聯(lián)匯編指令中，操作全局變量。

#include 

int a = 1;
int b = 2;
int c;

int main()
{
    asm volatile ("movl a, %eax
	"
        "addl b, %eax
	"
        "movl %eax, c");
    printf("c = %d 
", 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(jié)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(nèi)容如下(只貼出與內(nèi)聯(lián)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(nèi)聯(lián)匯編代碼中，可以直接使用全局變量 a, b 的名稱來操作。執(zhí)行 test2，可以得到正確的結(jié)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(nèi)聯(lián)匯編代碼之前的部分，可以看到：

.file"test2.c"
.globla
.data
.align 4
.typea, @object
.sizea, 4
a:
.long1
.globlb
.align 4
.typeb, @object
.sizeb, 4
b:
.long2
.commc,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(nèi)聯(lián)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(shù)的內(nèi)部，作為局部變量來試一下。

4. test3.c 嘗試操作局部變量

#include 
int main()
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c;

    asm("movl a, %eax
	"
        "addl b, %eax
	"
        "movl %eax, c");
    printf("c = %d 
", 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?jīng)]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(shù)值復制到棧空間中了：

movl$1, -20(%ebp)
movl$2, -16(%ebp)

我們來嘗試編譯成可執(zhí)行程序：

$ gcc -m32 -o test3 test3.c
/tmp/ccuY0TOB.o: In function `main':
test3.c undefined reference to `a'
test3.c undefined reference to `b'
test3.c 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(shù)列表" : "輸入操作數(shù)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(shù)列表：匯編代碼如何把處理結(jié)果傳遞到 C 代碼中；

輸入操作數(shù)列表：C 代碼如何把數(shù)據(jù)傳遞給內(nèi)聯(lián)匯編代碼;

改動的寄存器：告訴編譯器，在內(nèi)聯(lián)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(shù)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(nèi)聯(lián)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(nèi)聯(lián)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(shù)列表的格式

在系統(tǒng)中，存儲變量的地方就2個：寄存器和內(nèi)存。因此，告訴內(nèi)聯(lián)匯編代碼輸出和輸入操作數(shù)，其實就是告訴它：

向哪些寄存器或內(nèi)存地址輸出結(jié)果;

從哪些寄存器或內(nèi)存地址讀取輸入數(shù)據(jù);

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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)可以讀取，可以寫入；

=：被修飾的操作數(shù)只能寫入；

%：被修飾的操作數(shù)可以和下一個操作數(shù)互換；

&：在內(nèi)聯(lián)函數(shù)完成之前，可以刪除或者重新使用被修飾的操作數(shù)；

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 

int main()
{
    int data1 = 1;
    int data2 = 2;
    int data3;

    asm("movl %%ebx, %%eax
	"
        "addl %%ecx, %%eax"
        : "=a"(data3)
        : "b"(data1),"c"(data2));

    printf("data3 = %d 
", data3);
    return 0;
}

有 2 個地方需要注意一下啊：

在內(nèi)聯(lián)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(nèi)聯(lián)匯編代碼中，就可以通過這兩個寄存器來操作這兩個數(shù)了；

"=a"(data3) ==> 把處理結(jié)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(shù)據(jù)，不會從中讀取數(shù)據(jù);

通過上面的這種格式，內(nèi)聯(lián)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(jīng)過棧空間，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(nèi)聯(lián)匯編代碼之前：

把數(shù)字 1 通過棧空間(-20(%ebp))，復制到寄存器 %eax，再復制到寄存器 %ebx;

把數(shù)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(nèi)聯(lián)匯編代碼中的“輸入操作數(shù)列表”部分："b"(data1),"c"(data2)。

在內(nèi)聯(lián)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 
int main()
{
    int data1 = 1;
    int data2 = 2;
    int data3;

    asm("movl %%ebx, %%eax
	"
        "addl %%ecx, %%eax"
        : "=a"(data3)
        : "b"(data1),"c"(data2)
        : "%edx");

    printf("data3 = %d 
", 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(nèi)聯(lián)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(nèi)聯(lián)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(shù)有很多，那么在內(nèi)聯(lián)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(shù)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?yún)?shù)一樣，內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的占位符，從輸出操作數(shù)列表中的寄存器開始從0編號，一直編號到輸入操作數(shù)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 
int main()
{
    int data1 = 1;
    int data2 = 2;
    int data3;

    asm("addl %1, %2
	"
        "movl %2, %0"
        : "=r"(data3)
        : "r"(data1),"r"(data2));

    printf("data3 = %d 
", data3);
    return 0;
}

代碼說明：

輸出操作數(shù)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(jié)果，最后復制到局部變量 data3中；

輸入操作數(shù)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(shù)列表中只需要一個寄存器，因此在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的 %0 就代表這個寄存器(即：從 0 開始計數(shù))；

輸入操作數(shù)列表中有 2 個寄存器，因此在內(nèi)聯(lián)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(shù)列表的最后一個寄存器開始順序計數(shù))；

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(jié)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(nèi)聯(lián)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(nèi)聯(lián)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 
int main()
{
    int data1 = 1;
    int data2 = 2;
    int data3;

    asm("addl %[v1], %[v2]
	"
        "movl %[v2], %[v3]"
        : [v3]"=r"(data3)
        : [v1]"r"(data1),[v2]"r"(data2));

    printf("data3 = %d 
", data3);
    return 0;
}

代碼說明：

輸出操作數(shù)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(shù)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(nèi)聯(lián)匯編代碼中就可以直接使用這些別名( %[v1], %[v2], %[v3])來操作數(shù)據(jù)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(nèi)存位置

在以上的示例中，輸出操作數(shù)列表和輸入操作數(shù)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(shù)據(jù)，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(nèi)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(nèi)存地址來操作數(shù)據(jù)

#include 
int main()
{
    int data1 = 1;
    int data2 = 2;
    int data3;

    asm("movl %1, %%eax
	"
        "addl %2, %%eax
	"
        "movl %%eax, %0"
        : "=m"(data3)
        : "m"(data1),"m"(data2));

    printf("data3 = %d 
", data3);
    return 0;
}

代碼說明：

輸出操作數(shù)列表 "=m"(data3)：直接使用變量 data3 的內(nèi)存地址；

輸入操作數(shù)列表 "m"(data1),"m"(data2)：直接使用變量 data1, data2 的內(nèi)存地址;

在內(nèi)聯(lián)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(huán)節(jié)是肯定需要寄存器的。

在操作那些內(nèi)存地址中的數(shù)據(jù)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(nèi)聯(lián)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(shù)據(jù)與寄存器%eax進行操作，最后再把操作結(jié)果(%eax)，復制到棧中data3 的位置(-16(%ebp))。

五、總結(jié)

通過以上 8 個示例，我們把內(nèi)聯(lián)匯編代碼中的關鍵語法規(guī)則進行了講解，有了這個基礎，就可以在內(nèi)聯(lián)匯編代碼中編寫更加復雜的指令了。

希望以上內(nèi)容對您能有所幫助！謝謝！

編輯：jq