吾读：吾读 - 《深入理解计算机系统》第三章 程序的机器级表示 (二) 跳转和循环

上一篇我们初步认识了寄存器，学会了几个简单的汇编指令，例如mov，以及几种寻址模式。寻址模式不仅在mov指令中有用，各种指令都是通过这种方式来读取或写入内存中的值。

一个程序有各种函数，一个函数中也可能有复杂的结构，判断、循环等等，这些东西在汇编中又是什么样的呢？if-else, for, while, switch这些常见的结构会被翻译成怎样的汇编代码呢？

3.5 算术和逻辑操作

本节要接触多更多汇编操作指令，主要以算术及逻辑操作为主，分为四类，参见下图：

加减乘，没有除，这是为什么呢？因为除法比较特殊，需要同时操作两个寄存器，属于特殊操作指令

3.5.1 加载有效地址 lea

lea即 Load Effective Address，独成一类。该指令实际是mov的变形，指令形式是从存储器读数据到寄存器，但实际上并不会访问存储器，而只是将地址存储到目标寄存器。如同C语言中的&S结果。

3.5.2 一元和二元操作

第二类为一元操作，一元操作即只有一个操作数，即使源也是目标。如图3.7中的 Inc dec neg not指令。

第三类为二元操作，有两个操作数，且第二个操作数既作为源也作为目标。 如同C中的 x += y 中的x既作为源，又作为目标。与mov同样的，两个操作数不可以同时为存储器位置。

3.5.3 移位操作

第四类移位操作。操作数k取值范围为0到31，可以是立即数，或者存放在单字节寄存器中（即前四个寄存器的地位中）。两个左移是一样的，都是右边填充0 。右移则区分算术右移和逻辑右移。

所以左移也有两个指令是强迫症保持对称吗？

常数的乘法常常会优化为加法和移位的组合，当然对于无法拆分的则只能直接使用imul指令。例如x*48 可以拆解为两条指令 x*=3;x<<4 而x*3又可以使用 lea (%eax, %eax, 2), %edx 来实现

利用寻址方式来实现一些固定的乘法。由于寻址模式里面的s只能取值1 2 4 8，所以该方式就只能实现一些特定的乘法， 例如3x, 5x, 9x等。

3.5.5 特殊的算术操作

上图的imull和mull常规来说是需要两个操作符的，但是这里是但操作符。当他们为单操作符的时候，就是计算64位的乘法。此法要求另一个操作数要提前存储在%eax中。乘法的结果高位存在%edx中，地位存储在%eax中组合成一个64位的数字。

目前为止%eax有三个特殊用法了：

• 整数型返回值，需要放入到%eax中
• imull和mull的单操作数模式，使用%eax中数据作为乘数，结果的低位也存储到%eax中
• idivl和divl被除数的低位在%eax中。

3.6 控制

程序执行的一个很重要的部分就是控制执行的顺序，像条件分支，循环，switch等等。汇编代码中基本上就只有个跳转，相当于C中的goto。所以后面将可以看到一些实例C代码的汇编，同其goto实现版本基本是一致的。

学C++的时候都说goto不好，建议不要用，是因为程序员容易用的不好？主要是容易滥用导致控制流混乱。结构良好的goto，可以很好的统一在函数结尾释放资源、处理失败情况等。

3.6.1 条件码

CPU的四个条件码寄存器：

• CF：进位标志。最近的操作使最高位产生了进位。用于无符号数溢出
• ZF：零标志。最近的操作结果是0 。
• SF：符号标志。 是否为负数。
• OF：溢出标志。最近的操作导致二进制补码溢出

例如C代码 t = a + b， 该指令操作完成后就会设置以上的四个标志位。其中：

• CF：(unsigned t) < (unsigned a)
• ZF：t == 0
• SF：t < 0 负数
• OF：(a < 0 == b < 0) && (t < 0 != a < 0)

leal指令不会改变条件码，因为它只操作地址。对于逻辑操作，xorl （异或）进位标志和溢出标志都设置成0，移位操作则进位标志设置为最后一个被移除的位，溢出标志则为0 。

cmp和test只修改条件码，不修改其他寄存器。cmp和test的区别为：cmp是比较两个参数的差，test是两个参数的与。

比如cmp a,b 如果a和b相等，则有a-b == 0，所以ZF为0。所以ZF可以用来确定两个数是否相等。

通过几个条件码的组合，就能对两个数的各种情况作出明确的判断了。条件码又怎么写入到通用寄存器中呢？

3.6.2 访问条件码

条件码只有一个字节，所以它只能写入到8个单字节的寄存器中。而前面提过的movzbl,movsbl则可以将低位扩展

cmp1 %eax,%edx setl %al 读取条件码写入到al中movzb1 %al,%eax 扩展到整个寄存器

注意小于是setl, l 是 less的缩写，不是large的缩写。g则是greate的缩写。e是equls，n当然是not啦。a估计是above，b则就是below。

这么些逻辑算术看的人头大，直接死背或者用到的时候在查表还好点。

C语言的判断表达式中 && 与 & 有区别吗？例如 if ( expa && expb) 和 if (expa & expb)?
区别是 &&有短路属性，即表达式expa如果为真，则不会计算expb，而&没有这个属性，需要完整计算。

3.6.3 跳转指令编码

跟前面set的后缀完全一致，就是set换成j 。jmp完整指令则是不判断条件。其他指令则是在满足条件的情况下跳转。这里的Label也如同C语言中Goto的标签一样。

jmp *Operand指令则是跳转到寄存器或者内存中的某个地址去。 例如 jmp *%eax, jmp *(eax) 寻址方式则是与mov等指令一致。

跳转指令的常见做法是：目标地址相对PC（指令计数器）的。也就是是比如当前的PC是 0x123, 则想要调到0x126地址去，编码会是jmp 0x3

一般来说PC的值是当前指令的下一条指令的地址，而不是当前指令的地址，这是因为处理器会先将PC更新，然后才开始执行指令。

汇编代码中可能会有.p2align 4,,7类似的指令，这是条汇编器的命令，它会使后面的指令地址从16的倍数开始，而最多浪费7个字节。这有什么好处呢？它能够让处理器更优化地使用指令高速缓存存储器。

3.6.4 翻译条件转移

if (test-expr) then-statement else else-statement以上语句翻译成goto版本为： t = test-expr if (t) goto True; else-statement; goto Dne;True:then-statementDone:...

汇编语言正是以goto版本来翻译if语句的。

为什么用goto，我想是因为汇编及底层只有顺序和跳转两个方式。就是说只有goto这种方式，高级语言的控制结构必须转成想应的goto结构。

3.6.5 循环

for、while和do-while循环，一般在编译成汇编的过程中，都会转换成do-while的循环结构。do-while 循环结构有下面的形式：

dobody-statementwhile(test-exp)这很容易翻译成汇编代码的结构如下：loop:body-statementt = test-expif (t)goto loop

while循环如何翻译成上面的形式？

while (test-exp)body-statement可以翻译成： t = test-exp; if (!t) goto done;loop:body-statementt = test-expif (t)goto loop;done:

这里提到一个小技巧：例如上面的

t = test-expif (t)goto loop;

看起来有三句，实际上汇编指令可能就2句，比如

decl %eax jre loop

第一句对t操作之后，立刻进行对t进行判断，不需要额外操作，因为此时条件码恰好是t这个操作相关的。所以可以节省一条判断t的指令。

for循环的格式翻译如下

for (init-expr;test-expr;update-expr)body-statement;翻译成goto方式如下： init-expr; t = test-expr; if (!t) goto done;loop:body-statement;update-expr;t = test-expr;if (t)goto loop;done:相比前面的while 只是多了init-expr和update-expr。

各种循环最终都是转变成了goto模式。这并不是实际开发中值得借鉴的方式，使用goto很显然让代码更难阅读了。

3.6.6 switch语句

早就听说switch比一堆if要快，为什么快，怎么个快法？是不是任何情况都快？这下要揭晓了。

GCC根据开关情况的数量和开关情况值的稀少程度来翻译开关语句。当开关情况数量比较多，并且值的范围跨度比较小时，就会使用跳转表。跳转表可以使得跳转时间与开关数量无关。

这么说跳转表来类似一个map，直接索引到目标，多个if-else则像是vector在遍历。

这里也说到了使用跳转表是有条件的，并不是switch必然会使用。在不使用调整表的情况下，两者的汇编代码其实是一致的。所以以后不能无脑说switch比if快了，得有理有据。

CC根据开关情况的数量和开关情况值的稀少程度来翻译开关语句。当开关情况数量比较多，并且值的范围跨度比较小时，就会使用跳转表。跳转表可以使得跳转时间与开关数量无关。

这么说跳转表来类似一个map，直接索引到目标，多个if-else则像是vector在遍历。

这里也说到了使用跳转表是有条件的，并不是switch必然会使用。在不使用调整表的情况下，两者的汇编代码其实是一致的。所以以后不能无脑说switch比if快了，得有理有据。