GCC内嵌汇编

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时间轴

2025-09-27

init

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参考文档：

gcc

https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc.pdf

内嵌汇编（Inline Assembly Language）在 C 语言中嵌入汇编代码

目的：

• 优化：针对特定重要代码(time-sensitive 进行优化)
• C 语言需要访问某些特殊指令来实现特殊功能，比如内存屏障指令

内存汇编两种模式

• 基础内嵌汇编
• 扩展内嵌汇编

基础内嵌汇编

格式：

asm asm-qualifiers(AssemblerInstructions)

• asm 关键字：表明这是一个 GNU 扩展

• 修饰词（qualifiers）

  • volatile：在基础内嵌汇编中通常不需要这个修饰词
  • inline：内联，asm 汇编的代码会尽可能小

• 汇编代码块（AssemblerInstructions）

  • GCC 编译器把内嵌汇编当成一个字符串

  • GCC 编译不会去解析和分析内嵌汇编

  • 多条汇编指令，需要使用”\n\t“来换行

  • GCC 的优化器，可以移动汇编指令的前后位置。如果你需要保存汇编指令的顺序，最后使用多个内嵌汇编的方式

扩展内嵌汇编

• 格式
  • asm 关键字：表明这个是一个 GNU 扩展
  • 修饰词(asm-qualifiers)
    • volatile：用来关闭 GCC 优化
    • inline 内联，asm 汇编的代码会尽可能小
    • goto 在内嵌会便利会跳转到 C 语言的标签里

• 输出部：

  用于描述在指令部中可以被修改的 C 语言变量以及约束条件

  • 每个输出约束通常以”=”开头，接着的字母表示对操作数类型的说明，然后是关于变量结合的约束
  • 输出部通常使用”=“或者”+”作为输出约束，其中”=“表示被修饰的操作数只具有可写属性，”+“表示被修饰的操作数只具有可读可写属性
  • 输出部可以是空的

"=/+" + 约束修饰符 + 变量

约束修饰符常用

• ‘r’ A register operand is allowed provided that it is in a general register.

• 输入部

  用来描述在指令部只能被读取访问的 C 语言变量以及约束条件

  • 输入部描述的参数是只有只读属性，不要试图修改输入部的参数内容，因为 GCC 编译器假定，输入部的参数的内容在内嵌汇编之前和之后都是一致的
  • 在输入部中不能使用”=”或者”+“约束条件，否则编译器会报错
  • 输入部可以是空的

• 损坏部（Clobbers）

  • 汇编代码可能修改除了输出之外的寄存器。
  • 如果不告诉编译器，会导致编译器认为这些寄存器保持不变，最终可能出现错误或不可预测的行为。
  • Clobber 也是一种内存屏障（尤其 "memory"），确保编译器不会重排或缓存变量。

  | 名称 | 作用 |
  | —————————- | —————————————————————————— |
  | "x0", "x1", … | 通用寄存器被修改 |
  | "cc" | 条件码寄存器（flags）被修改 |
  | "memory" | 汇编访问了内存，保证编译器刷新寄存器到内存并重新加载 |
  | "redzone" | 在 x86-64 的 redzone 区域使用栈空间 |

  • “memory”告诉 GCC 编译器内联汇编指令改变了内存中的值，强迫编译器在执行该汇编代码前存储所有缓存中的值，在执行完汇编代码之后重新加载该值，目的是防止编译乱序
  • ”cc”表示内嵌汇编代码修改了状态寄存器相关的标志位

• 不允许在 clobber 列表里写 栈指针寄存器（esp/rsp）。

• 不要重复列出输出寄存器。

• 四种可以情况可以组合，用逗号分割即可

• 指令部的参数表示
  • %0 对应输出输入部的第一个参数，%1 表示第二个参数

输出和输入部的约束修饰符

输出部和输入部的约束修饰符——通用

输出部和输入部的约束修饰符——ARM64

汇编符号名字来代替前缀%

• %[name] → 引用约束变量

• %w[name] → 引用 低 32 位寄存器（如 w0, w1）

• %x[name] → 引用 完整 64 位寄存器（如 x0, x1）

实验 1：实现简单的 memcpy 函数

陷阱与坑

• GDB 不能单步调试内嵌汇编
• 输出部和输入部的修饰符不能用错，否则程序会跑错

实验 3：使用内嵌汇编实现 memset 函数

内嵌汇编的高级玩法：和宏结合

• 技巧 1：使用了 C 语言的#运算符。在带参数的宏中，“#”运算符作为一个预处理运算符，可以把记号转换为字符串

#define ATOMIC_OP(op, asm_op) \
static inline void atomic_##op(int i, atomic_t *v) { \
    __asm__ __volatile__( \
        asm_op " %1, %0" \
        : "+m" (v->counter) \
        : "ir" (i)); \
}

可以用这个宏来生成多个原子操作函数：

ATOMIC_OP(add, "addl")
ATOMIC_OP(sub, "subl")

这会展开为：

static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v) {
    __asm__ __volatile__(
        "addl %1, %0"
        : "+m" (v->counter)
        : "ir" (i));
}

static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v) {
    __asm__ __volatile__(
        "subl %1, %0"
        : "+m" (v->counter)
        : "ir" (i));
}

图片中的这个宏使用 #asm_op 是因为 它需要将宏参数 asm_op 转换成字符串字面量，用于字符串拼接或输出。这种语法叫做 宏字符串化（stringification）

asm_op 是宏参数，在宏展开时会替换为你提供的值（比如 "addl"）。

它已经是一个字符串，比如你调用：

ATOMIC_OP(add, "addl")

宏展开后是：

__asm__ __volatile__(
    "addl %1, %0"
    : "+m" (v->counter)
    : "ir" (i));

而这样：

 ATOMIC_OP(add, addl)

宏展开后是

__asm__ __volatile__(
    addl "%1, %0"
    : "+m" (v->counter)
    : "ir" (i));

则不是

##name —— 符号连接（token pasting）运算符

• 把宏参数和前后的标识符直接拼接成一个新的标识符（不是字符串）。

• 常用来生成变量名、函数名等。

#define MAKE_FUNC(name) void func_##name(void) {}

MAKE_FUNC(test); // 展开成：void func_test(void) {}

实验 4：使用内嵌汇编与宏的结合

实验 5：实现读写系统寄存器的宏

这里用到了GNU C 的语句表达式 (statement expression) 语法:

({ ... }) 是什么

• 这是 GNU 扩展，不是标准 C。

• 它让一段代码块既能像语句一样执行，也能返回一个值。

• 语法规则：

  ({ statement1; statement2; ...; expression; })
  代码块里最后的那个 表达式（不加分号）就是返回值。

内嵌汇编：goto

内嵌汇编的 goto 模板，可以跳转到 C 语言的 label 标签里

• Goto 模板的输出部必须为空
• 新增一个 gotolabels 的部，里面列出了 C 语言的 label，是允许跳转的 label

实验 6：goto 模板的内嵌汇编

%l[label] 是 GCC 内联汇编中 asm goto 语法的特殊写法，表示跳转到 C 代码中的标签 label。

详细解释：

• %l[...] 是告诉编译器这是一个标签符号（label），而不是普通的寄存器或立即数。
• label 是你在 C 代码里定义的标签名，比如你代码中的 label:。
• asm goto 允许汇编代码通过条件跳转直接跳转到 C 代码中的某个标签，实现条件分支。