- GCC Inline Assembly
-
GCC Inline Assembly — Встроенный ассемблер компилятора GCC, представляющий собой язык макроописания интерфейса компилируемого высокоуровнего кода с ассемблерной вставкой.
Содержание
Особенности
Синтаксис и семантика GCC Inline Assembly имеет следующие существенные отличия:
- GCC не интерпретирует никак содержимое ассемблерной вставки.
- Служит явное описание интерфейса с ассемблерной вставкой.
- Даёт возможность компилятору свободу выбора регистров.
- Позволяет явно указать на имеющиеся побочные действия ассемблерного кода.
- Позволяет использовать все инструкции (и директивы тоже) которые распознает ассемблер, а не только те, что знает и применяет gcc
Предварительные сведения
Для того, чтобы хорошо понимать, как работает GCC Inline Assembly для начала неплохо сначала хорошо представлять процесс компиляции, как он происходит.
В начале gcc вызывает препроцессор cpp, который включает заголовочные файлы, разворачивает все условные директивы и выполняет макроподстановки. Посмотреть, что получилось после макроподстановки, можно командой
gcc -E -o preprocessed.c some_file.c
. Ключ -E редко используется, в основном когда вы занимаетесь отладкой макросов.Затем gcc анализирует полученный код, на этой же фазе производит оптимизацию кода и в итоге производит ассемблерный код. Увидеть сгенерированный ассемблерный код можно командой
gcc -S -o some_file.S some_file.c
.Затем gcc вызывает ассемблер gas для того, чтобы он создал из ассемблерного кода объектный код. Обычно ключ -c (compile only) используется в проектах, состоящих из многих файлов.
Затем gcc вызывает линкер ld для сборки исполняемого файла из полученных объектных файлов.
Для иллюстрации данного процесса создадим файл test.c следующего содержания:
int main() { asm ("Bla-Bla-Bla"); // вставим такую инструкцию return 0; }
Если мы скажем выполнить
gcc -S -o test.S test.c
, то мы обнаружим важный факт: компилятор обработал «неправильную» инструкцию и результирующий ассемблерный файл test.S содержит нашу строку «Bla-Bla-Bla». Однако, если мы попробуем создать объектный код или собрать бинарный файл, то gcc выведет следующее:test.c: Assembler messages: test.c:3: Error: no such instruction: 'Bla-Bla-Bla'
Сообщение исходит именно от Ассемблера.
Отсюда следует важный вывод: GCC никак не интерпретирует содержимое ассемблерной вставки, воспринимая её как макроподстановку времени компиляции.
Синтаксис
Общая структура
Общая структура ассемблерной вставки выглядит следующим образом:
asm [volatile] («команды и директивы ассемблера» : выходные параметры : входные параметры : изменяемые параметры);
впрочем, существует и более короткая форма:
asm [volatile] («команды ассемблера»);
Синтаксис команд
Стиль этого раздела неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Следует исправить раздел согласно стилистическим правилам Википедии.Главный «камень преткновения» новичков представляет собой тот факт, что ассемблер gas и компилятор gcc используют синтаксис AT&T, который существенно отличается от ассемблера Intel. В Вики-учебнике есть статья об этом [1], поэтому законспектируем только основные факты, которые необходимо знать.
Итак, краткий конспект:
- Порядок операндов: Операция Источник,Приёмник. Мнемотехника для запоминания: как в командах cp или mv :)
- Названия регистров имеют явный префикс
%
, указывающий, что это регистр. То есть %eax,%dl,%esi,%xmm1 и т. д. Как показывает практика, весьма удобно, особенно учитывать подсветку синтаксиса, а также что вы можете «достать» из ассемблера переменную, которую кто-то назвал, например, ax, и даже сделать movw ax,%ax, что в Intel-синтаксисе было бы невозможно. То, что названия регистров не являются зарезервированными словами, — несомненный плюс. - Явное задание размеров операндов в суффиксах команд: b-byte, w-word, l-long, q-quadword. В командах типа movl %edx,%eax это может показаться излишним, однако является весьма наглядным средством, когда речь идёт о incl (%esi) или xorw $0x7,mask
- Названия констант начинаются с $ и могут быть выражением. Например
movl $1,%eax
- Значение без префикса означает адрес. Это ещё один камень преткновения новичков. Просто следует запомнить, что:
movl $123,%eax
— записать в %eax число 123,
movl 123,%eax
— записать в %eax содержимое ячейки памяти с адресом 123,
movl var,%eax
— записать в %eax значение переменной var,
movl $var,%eax — загрузить адрес переменной var - Для косвенной адресации необходимо использовать круглые скобки. Например
movl (%ebx),%eax
— загрузить в %eax значение переменной, по адресу находящемуся в регистре %ebx - SIB-адресация: смещение(база, индекс, множитель)
Обычно игнорируемый факт того, что внутри директивы asm могут находиться не просто ассемблерные команды, но и вообще любые директивы, распознаваемые gas, может сослужить хорошую службу. Например, можно вставить содержимое бинарного файла в результирующий объектный код:
asm( "our_data_file:\n\t" ".incbin \"some_bin_file.txt\"\n\t" // используем директиву .incbin "our_data_file_len:\n\t" ".long .-our_data_file\n\t" // вставляем значение .long с вычисленной длиной файла );
И затем адресоваться к этому бинарному файлу:
extern char our_data_file[]; extern long our_data_file_len;
Как работает макроподстановка
Рассмотрим, как происходит подстановка.
Конструкция:
asm ("movl %0,%%eax"::"i"(1));
Превратится в
movl $1,%eax
Входные и выходные параметры
Модификаторы
Тонкие моменты
Ключевое слово volatile
Для чего в случае asm служит ключевое слово volatile? Для того чтобы указать компилятору, что вставляемый ассемблерный код может давать побочные эффекты, поэтому попытки оптимизации могут привести к логическим ошибкам.
Случаи, когда ключевое слово volatile ставить обязательно:
Допустим, внутри цикла имеется ассемблерная вставка, производящая проверку на занятость глобальной переменной и ожидания в спинлоке её освобождения. Когда компилятор начинает оптимизировать цикл, он выкидывает из цикла всё, что явным образом в цикле не изменяется. Поскольку в случае спинлока оптимизирующий компилятор не видит явной зависимости между параметрами ассемблерной вставки и переменными, изменяющимися в цикле, ассемблерная вставка может быть выкинута из цикла со всеми вытекающими последствиями.
СОВЕТ: Всегда указывайте asm volatile в тех случаях, когда ваша ассемблерная вставка должна «стоять там где стоит». Особенно это касается тех случаев, когда вы работаете с атомарными примитивами.
«memory» в clobber list
Следующий «тонкий момент» — явное указание «memory» в clobber list. Помимо простого указания компилятору, что ассемблерная вставка изменяет содержимое памяти, она ещё служит директивой Memory Barrier для компилятора. Что это означает? Это означает, что те операции обращений в память, которые стоят выше по коду, в результирующем машинном коде будут выполняться до тех, которые стоят ниже ассемблерной вставки. В случае многопоточной среды, когда от этого напрямую зависит риск возникновения race condition, это обстоятельство является существенным.
СОВЕТ № 1:
Быстрый способ сделать Memory Barier
#define mbarrier() asm volatile ("":::"memory")
СОВЕТ № 2: Указание «memory» в clobber list не только «хороший тон», но и в случае работы с атомарными операциями, призванными разрулить race condition, является обязательным.
Примеры использования
int main() { int sum = 0, x = 1, y = 2; asm ( "add %1, %0" : "=r" (sum) : "r" (x), "0" (y) ); // sum = x + y; printf("sum = %d, x = %d, y = %d", sum, x, y); // sum = 3, x = 1, y = 2 return 0; }
- код: добавить %1 к %0 и сохранить результат в %0
- выходные параметры: универсальный регистр, сохранённый в локальную переменную, после выполнения ассемблерного кода.
- входные параметры: универсальные регистры, инициализированные от локальных переменных x и y перед выполнением ассемблерного кода.
- изменяемые параметры: ничего, кроме регистров ввода/вывода.
Ссылки
Категория:- Ассемблер
Wikimedia Foundation. 2010.