從簡單到複雜，搞懂內聯彙編代碼
作者 | 道哥 責編 | 歐陽姝黎
在 Linux 代碼中，經常可以看到在 C 代碼中，嵌入部分彙編代碼，這些代碼要麼是與硬件體系相關的，要麼是對性能有關鍵影響的。
在很久以前，我特別懼怕內嵌彙編代碼，直到後來把彙編部分的短板補上之後，才徹底終結這種心理。
也許你在工作中，幾乎不會涉及到內嵌彙編代碼的工作，但是一旦進入到系統的底層，或者需要對時間關鍵場景進行優化，這個時候你的知識儲備就發揮重要作用了！
這篇文章，我們就來詳細聊一聊在 C 語言中，如何通過 asm 關鍵字來嵌入彙編語言代碼，文中的 8 個示例代碼從簡單到複雜，逐步深入地介紹內聯彙編的關鍵語法規則。
希望這篇文章能夠成爲你進階高手路上的墊腳石！
PS:
示例代碼中使用的是 Linux 系統中 AT&T 彙編語法；
文章中的 8 個示例代碼，可以在公衆號後臺回覆【426】，即可收到下載地址；
基本 asm 格式
gcc 編譯器支持 2 種形式的內聯 asm 代碼：
基本 asm 格式：不支持操作數；
擴展 asm 格式：支持操作數；
1.1 語法規則
asm [volatile] ("彙編指令")
所有指令，必須用雙引號包裹起來；
超過一條指令，必須用 \ n 分隔符進行分割，爲了排版，一般會加上 \ t；
多條彙編指令，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，編譯器有可能對彙編代碼進行優化，使用 volatile 關鍵字之後，告訴編譯器不要優化手寫的內聯彙編代碼。
1.2 test1.c 插入空指令
#include <stdio.h>
int main()
{
asm ("nop");
printf("hello\n");
asm ("nop\n\tnop\n\t"
"nop");
return 0;
}注意：C 語言中會自動把兩個連續****的字符串字面量拼接成一個，所以 "nop\n\tnop\n\t" "nop" 這兩個字符串會自動拼接成一個字符串。
生成彙編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test1.s test1.ctest1.s 中內容如下 (只貼出了內聯彙編代碼相關部分的代碼)：
#APP
# 5 "test1.c" 1
nop
# 0 "" 2
#NO_APP
// 這裏是 printf 語句生成的代碼。
#APP
# 7 "test1.c" 1
nop
nop
nop
# 0 "" 2
#NO_APP可以看到，內聯彙編代碼被兩個註釋 (#APP ... #NO_APP) 包裹起來。在源碼中嵌入了兩個彙編代碼，因此可以看到 gcc 編譯器生成的彙編代碼中包含了這兩部分代碼。
這 2 部分嵌入的彙編代碼都是空指令 nop，沒有什麼意義。
1.3 test2.c 操作全局變量
在 C 代碼中嵌入彙編指令，目的是用來計算，或者執行一定的功能，下面我們就來看一下，如何在內聯彙編指令中，操作全局變量。
#include <stdio.h>
int a = 1;
int b = 2;
int c;
int main()
{
asm volatile ("movl a, %eax\n\t"
"addl b, %eax\n\t"
"movl %eax, c");
printf("c = %d \n", c);
return 0;
}關於彙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的值複製到 %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，結果放在 %eax 寄存器中；
movl %eax, c // 把 %eax 寄存器中的值複製到變量 c 中；
生成彙編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test2.s test2.ctest2.s 內容如下 (只貼出與內聯彙編代碼相關部分)：
#APP
# 9 "test2.c" 1
movl a, %eax
addl b, %eax
movl %eax, c
# 0 "" 2
#NO_APP可以看到，在內聯彙編代碼中，可以直接使用全局變量 a, b 的名稱來操作。執行 test2，可以得到正確的結果。
思考一個問題：爲什麼在彙編代碼中，可以使用變量 a, b, c？
查看 test2.s 中內聯彙編代碼之前的部分，可以看到：
.file "test2.c"
.globl a
.data
.align 4
.type a, @object
.size a, 4
a:
.long 1
.globl b
.align 4
.type b, @object
.size b, 4
b:
.long 2
.comm c,4,4變量 a, b 被 .globl 修飾，c 被 .comm 修飾，相當於是把它們導出爲全局的，所以可以在彙編代碼中使用。
那麼問題來了：如果是一個局部變量，在彙編代代碼中就不會用 .globl 導出，此時在內聯彙編指令中，還可以直接使用嗎？
眼見爲實，我們把這 3 個變量放到 main 函數的內部，作爲局部變量來試一下。
1.4 test3.c 嘗試操作局部變量
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 1;
int b = 2;
int c;
asm("movl a, %eax\n\t"
"addl b, %eax\n\t"
"movl %eax, c");
printf("c = %d \n", c);
return 0;
}生成彙編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test3.s test3.c在 test3.s 中可以看到沒有 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值複製到棧空間中了：
movl $1, -20(%ebp)
movl $2, -16(%ebp)我們來嘗試編譯成可執行程序：
$ gcc -m32 -o test3 test3.c
/tmp/ccuY0TOB.o: In function `main':
test3.c:(.text+0x20): undefined reference to `a'
test3.c:(.text+0x26): undefined reference to `b'
test3.c:(.text+0x2b): 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！**那該怎麼辦，才能使用局部變量呢？擴展 asm 格式！
擴展 asm 格式
2.1 指令格式
asm [volatile] ("彙編指令" : "輸出操作數列表" : "輸入操作數列表" : "改動的寄存器")
格式說明
彙編指令：與基本 asm 格式相同；
輸出操作數列表：彙編代碼如何把處理結果傳遞到 C 代碼中；
輸入操作數列表：C 代碼如何把數據傳遞給內聯彙編代碼;
改動的寄存器：告訴編譯器，在內聯彙編代碼中，我們使用了哪些寄存器；
“改動的寄存器” 可以省略，此時最後一個冒號可以不要，但是前面的冒號必須保留，即使輸出 / 輸入操作數列表爲空。
關於 “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；我們手寫的內聯彙編代碼中，也使用了一些寄存器。
爲了通知編譯器，讓它知道: 在內聯彙編代碼中有哪些寄存器被我們用戶使用了，可以在這裏列舉出來，這樣的話，gcc 就會避免使用這些列舉出的寄存器
2.2 輸出和輸入操作數列表的格式
在系統中，存儲變量的地方就 2 個：寄存器和內存。因此，告訴內聯彙編代碼輸出和輸入操作數，其實就是告訴它：
向哪些寄存器或內存地址輸出結果;
從哪些寄存器或內存地址讀取輸入數據;
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：
+：被修飾的操作數可以讀取，可以寫入；
=：被修飾的操作數只能寫入；
%：被修飾的操作數可以和下一個操作數互換；
&：在內聯函數完成之前，可以刪除或者重新使用被修飾的操作數；
語言描述比較抽象，直接看例子！
2.3 test4.c 通過寄存器操作局部變量
#include <stdio.h>
int main()
{
int data1 = 1;
int data2 = 2;
int data3;
asm("movl %%ebx, %%eax\n\t"
"addl %%ecx, %%eax"
: "=a"(data3)
: "b"(data1),"c"(data2));
printf("data3 = %d \n", data3);
return 0;
}有 2 個地方需要注意一下啊：
在內聯彙編代碼中，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 複製到寄存器 %ebx，變量 data2 複製到寄存器 %ecx。這樣，內聯彙編代碼中，就可以通過這兩個寄存器來操作這兩個數了；
"=a"(data3) ==> 把處理結果放在寄存器 %eax 中，然後複製給變量 data3。前面的修飾符等號意思是：會寫入往 %eax 中寫入數據，不會從中讀取數據;
通過上面的這種格式，內聯彙編代碼中，就可以使用指定的寄存器來操作局部變量了，稍後將會看到局部變量是如何從經過棧空間，複製到寄存器中的。
生成彙編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test4.s test4.c彙編代碼 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，在進入手寫的內聯彙編代碼之前：
把數字 1 通過棧空間 (-20(%ebp))，複製到寄存器 %eax，再複製到寄存器 %ebx;
把數字 2 通過棧空間 (-16(%ebp))，複製到寄存器 %edx，再複製到寄存器 %ecx;
這 2 個操作正是對應了內聯彙編代碼中的 “輸入操作數列表” 部分："b"(data1),"c"(data2)。
在內聯彙編代碼之後 (#NO_APP 之後)，把 %eax 寄存器中的值複製到棧中的 -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。
2.4 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。從生成的彙編代碼 test4.s 中可以看到，gcc 使用了 %edx 寄存器。
那麼我們來測試一下：告訴 gcc 不要使用 %edx 寄存器。
#include <stdio.h>
int main()
{
int data1 = 1;
int data2 = 2;
int data3;
asm("movl %%ebx, %%eax\n\t"
"addl %%ecx, %%eax"
: "=a"(data3)
: "b"(data1),"c"(data2)
: "%edx");
printf("data3 = %d \n", data3);
return 0;
}代碼中，asm 指令最後部分 "%edx" ，就是用來告訴 gcc 編譯器：在內聯彙編代碼中，我們會使用到 %edx 寄存器，你就不要用它了。
生成彙編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test5.s test5.c來看一下生成的彙編代碼 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，在內聯彙編代碼之前，gcc 沒有選擇使用寄存器 %edx。
使用佔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，如果操作數有很多，那麼在內聯彙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 格式爲我們提供了另一種偷懶的方法，來使用輸出和輸入操作數列表中的寄存器：佔位符！
佔位符有點類似於批處理腳本中，利用 1,2... 來引用輸入參數一樣，內聯彙編代碼中的佔位符，從輸出操作數列表中的寄存器開始從 0 編號，一直編號到輸入操作數列表中的所有寄存器。
還是看例子比較直接！
3.1 test6.c 使用佔位符代替寄存器
#include <stdio.h>
int main()
{
int data1 = 1;
int data2 = 2;
int data3;
asm("addl %1, %2\n\t"
"movl %2, %0"
: "=r"(data3)
: "r"(data1),"r"(data2));
printf("data3 = %d \n", data3);
return 0;
}代碼說明：
輸出操作數列表 "=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果，最後複製到局部變量 data3 中；
輸入操作數列表 "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；
輸出操作數列表中只需要一個寄存器，因此在內聯彙編代碼中的 %0 就代表這個寄存器 (即：從 0 開始計數)；
輸入操作數列表中有 2 個寄存器，因此在內聯彙編代碼中的 %1 和 %2 就代表這 2 個寄存器 (即：從輸出操作數列表的最後一個寄存器開始順序計數)；
生成彙編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test6.s test6.c彙編代碼如下 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 ，然後操作結果也存儲在 %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。
在內聯彙編代碼中，使用 %0、%1 、%2 這樣的佔位符來使用寄存器。
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 格式還允許給這些佔位符重命名，也就是給每一個寄存器起一個別名，然後在內聯彙編代碼中使用別名來操作寄存器。
還是看代碼！
3.2 test7.c 給寄存器起別名
#include <stdio.h>
int main()
{
int data1 = 1;
int data2 = 2;
int data3;
asm("addl %[v1], %[v2]\n\t"
"movl %[v2], %[v3]"
: [v3]"=r"(data3)
: [v1]"r"(data1),[v2]"r"(data2));
printf("data3 = %d \n", data3);
return 0;
}代碼說明：
輸出操作數列表：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；
起立別名之後，在內聯彙編代碼中就可以直接使用這些別名 (%[v1], %[v2], %[v3]) 來操作數據了。
生成彙編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test7.s test7.c再來看一下生成的彙編代碼 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)這部分的彙編代碼與 test6.s 中完全一樣！
使用內存位置
在以上的示例中，輸出操作數列表和輸入操作數列表部分，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據，速度會更快一些。
如果我們願意的話，也可以直接使用變量的內存地址來操作變量，此時就需要使用約束字符 m。
4.1 test8.c 使用內存地址來操作數據
#include <stdio.h>
int main()
{
int data1 = 1;
int data2 = 2;
int data3;
asm("movl %1, %%eax\n\t"
"addl %2, %%eax\n\t"
"movl %%eax, %0"
: "=m"(data3)
: "m"(data1),"m"(data2));
printf("data3 = %d \n", data3);
return 0;
}代碼說明：
輸出操作數列表 "=m"(data3)：直接使用變量 data3 的內存地址；
輸入操作數列表 "m"(data1),"m"(data2)：直接使用變量 data1, data2 的內存地址;
在內聯彙編代碼中，因爲需要進行相加計算，因此需要使用一個寄存器 (%eax)，計算這個環節是肯定需要寄存器的。
在操作那些內存地址中的數據時，使用的仍然是按順序編號的佔位符。
生成彙編代碼指令：
gcc -m32 -S -o test8.s test8.c生成的彙編代碼如下 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：在進入內聯彙編代碼之前，把 data1 和 data2 的值放在了棧中，然後直接把棧中的數據與寄存器 %eax 進行操作，最後再把操作結果 (%eax)，複製到棧中 data3 的位置 (-16(%ebp))。
總結
通過以上 8 個示例，我們把內聯彙編代碼中的關鍵語法規則進行了講解，有了這個基礎，就可以在內聯彙編代碼中編寫更加複雜的指令了。
希望以上內容對您能有所幫助！謝謝！
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