Inline Assembly

“内联汇编”背后的思想是在除使用汇编语言之外别无选择的情况下，使用asm关键字在C/C++代码中嵌入汇编指令。

概述

有时，即使C/C++是你选择的语言，你也“需要”在操作系统中使用一些汇编代码。 无论是因为极端的优化需求，还是因为你正在实现的代码是高度特定于硬件的（比如说，通过端口输出数据），结果都是一样的：没有办法绕过它。 你必须要使用汇编语言。

你可以选择编写一个汇编函数并调用它，但是有时甚至“调用”开销对你来说都太大了。 在这种情况下，你需要的是内联汇编技术，这意味着使用asm()关键字插入代码中间的任意汇编片段。 这个关键字的工作方式是特定于编译器的。 本文描述了它在GCC中的工作方式，因为它是操作系统世界中使用最多的编译器。

语法

这是在C/C++代码中使用asm（）关键字的语法：

asm ( assembler template
    : output operands                   (optional)
    : input operands                    (optional)
    : clobbered registers list          (optional)
    );

汇编程序模板基本上是GAS兼容的代码，除非有限制，在这种情况下，寄存器名必须以%%而不是%开头。 这意味着以下两行都是将eax寄存器的内容移动到ebx的代码：

asm ("movl %eax, %ebx");
asm ("movl %%eax, %%ebx" : );

现在，你可能想知道为什么这%%会出现。 这是因为内联汇编的一个有趣特性：你可以在汇编代码中使用一些C变量。 为了简化该机制的实现，GCC在汇编代码中命名这些变量%0、%1等等，从输入/输出operand部分中提到的第一个变量开始。 你需要使用此%%语法来帮助GCC区分寄存器和参数。

该操作的具体工作原理将在后面的章节中详细解释。 现在，下面这个例子可以先提供一个演示：

int a=10, b;
asm ("movl %1, %%eax; 
      movl %%eax, %0;"
     :"=r"(b)        /*输出*/
     :"r"(a)         /*输入*/
     :"%eax"         /* 被破坏的寄存器(clobbered register) */
     );

这里你已经设法使用汇编代码将“a”的值复制到“b”中，在汇编代码中有效地使用了一些C变量。

最后一个“clobbered register”部分用于告诉GCC你的代码正在使用处理器的一些寄存器，并且在执行asm代码段之前，它应该将正在运行的程序中的所有活动数据移出该寄存器。 在上面的例子中，我们在第一条指令中将a移动到eax，有效地擦除了它的内容，因此我们需要要求GCC在操作之前清除该寄存器，所以要保存寄存器数据。

汇编程序模板

汇编器模板定义要内联的汇编器指令。 默认情况下，此处使用AT&T语法。 如果要使用Intel语法，应将-masm=Intel指定为命令行选项。

例如，要停止CPU，只需使用以下命令：

asm( "hlt" );

输出Operands

本节“输出Operands”部分用于告诉编译器/汇编程序如何处理存储ASM代码输出的C变量。 输出Operands是一组各自成对，每个Operands由一个字符串文字组成，称为“constraint”，说明C变量应该映射到哪里（到寄存器通常用于最佳性能），以及要映射到哪里的C变量（在括号中）。

假设你正在为IA32体系结构编码，在constraint中，“a”表示EAX，“b”表示EBX，“c”表示ECX，“d”表示EDX，“S”表示ESI，“d”表示EDI（请阅读GCC手册中的完整列表）。 等式符号表示汇编代码不关心映射变量的初始值（这允许一些优化）。 考虑到所有这些，现在下面的代码将EAX设置为0就很清楚了。

int EAX;
asm( "movl $0, %0"
   : "=a" (EAX)
    );

请注意，编译器将枚举以%0开头的operand，如果将寄存器用于存储输出operand，则无需将其添加到已删除的寄存器列表中。 GCC足够聪明，能够自己决定做什么。

从GCC 3.1开始，你可以使用更可读的标签，而不是容易出错的枚举：

int current_task;
asm( "str %[output]"
   : [output] "=r" (current_task)
    );

这些标签位于它们自己的名称空间中，不会与任何C标识符冲突。 对于输入Operands也可以这样做。

输入Operands

虽然输出Operands通常只用于输出，输入Operands还允许参数化ASM代码； 将只读参数从C代码传递到ASM块。 同样，字符串文字用于指定详细信息。

如果你想将某个值移动到EAX，可以通过以下方式执行（即使这样做，而不是直接将该值映射到EAX肯定是毫无用处的）：

int randomness = 4;
asm( "movl %0, %%eax"
   :
   : "b" (randomness)
   : "eax"
    );

请注意，GCC将始终假定输入Operands是只读的（不更改的）。 写入输入Operands时，正确的做法是将它们列为输出，但不使用等式符号，因为这一次它们的原始值很重要。 下面是一个简单的例子：

asm("mov %%eax,%%ebx": : "a" (amount));// 没用但用它说明问题

Eax将包含“amount”，并移动到ebx中。

删除寄存器列表

请记住一件事很重要：“C/C++编译器对汇编器一无所知”。 对于编译器来说，asm语句是不透明的，如果你没有指定任何输出，它甚至可能得出结论，认为这是一个不可操作的语句，并对其进行优化。 一些第三方文档指出，使用asm volatile将导致不被移动的关键字。 然而，根据GCC文档，“volatile关键字表示指令有重要的副作用。 如果可以访问易失性asm，GCC将不会删除该asm。，这只表示它不会被删除 （也就是说，它是否仍然可以移动是一个尚未回答的问题）。 一种可行的方法是使用asm（volatile）并将“内存”放入缓冲寄存器中，如下所示：

__asm__("cli": : :"memory"); // 将导致语句不移动，但可能会将其优化。
__asm__ __volatile__("cli": : :"memory"); // 将导致语句不会被移动或优化。

由于编译器使用CPU寄存器对C/C++变量进行内部优化，并且不知道ASM操作码， 你必须警告它，任何寄存器可能会因为副作用而被破坏， 因此，编译器可以在进行ASM调用之前保存它们的内容。

Clobbered Registers列表是一个以逗号分隔的寄存器名列表，以字符串文本形式显示。

通配符（Wildcards）：如何让编译器选择

你不需要告诉编译器在每个操作中应该使用哪个特定寄存器，一般来说 除非你有充分的理由特别喜欢一个寄存器， 你最好让编译器替你决定。

例如，强制在任何其他寄存器上使用EAX可能会迫使编译器代码报错，将以前在EAX中的内容保存在其他寄存器中，或者可能会在操作之间引入不必要的依赖关系（管道优化被破坏）

通配符constraints允许你在输入/输出映射方面给予GCC更多自由：

The "g" constraint : "movl $0, %0" : "=g" (x)	x可以是编译器喜欢的任何东西：寄存器、内存引用。在另一个上下文中，它甚至可以是一个字面常量。
The "r" constraint : "movl %%es, %0" : "=r" (x)	你希望x通过寄存器。 如果x没有作为寄存器进行优化，编译器会将其移动到应该的位置。 这意味着"movl %0, %%es" : : "r" (0x38)足以加载段寄存器。
The "N" constraint : "outl %0, %1" : : "a" (0xFE), "N" (0x21)	说明值 '0x21' 可以在out或in操作中用作常数，范围从0到255

当然，你可以对operand选择施加更多constraints，无论是否依赖于机器，这些constraints都列在GCC的手册中 (参考[1], [2], [3], 和[4])。

使用C99

当使用gcc-std=c99时，asm不是关键字。 只需使用gcc -std=gnu99即可使用带有GNU扩展的C99。 或者，你可以使用 __asm__ 作为备用关键字，即使编译器严格遵守标准，该关键字也可以使用。

分配标签

可以将所谓的ASM标签指定给C/C++关键字。 你可以通过对变量定义使用asm命令来执行此操作，如本例所示：

int some_obscure_name asm("param") = 5; //“param”将可在内联汇编中访问。

void foo()
{
asm("mov param, %%eax");
}

下面是一个示例，说明如果不显式声明名称，如何访问这些变量：

int some_obscure_name = 5;

void foo()
{
asm("mov some_obscure_name, %%eax");
}

请注意，根据你的链接选项，你可能还必须使用_some_obscure_name（带前导下划线）。

汇编中的GOTO

在GCC4.5之前，不支持跨内联汇编跳转。编译器无法跟踪正在发生的事情， 因此，只能生成错误的代码。
你可能会被告知“gotos是邪恶的”。 如果你相信这是真的，那么asm gotos就是你最可怕的噩梦。 然而，它们确实提供了一些有趣的代码优化选项。

asm goto没有很好的文档记录，但其语法如下：

 asm goto( "jmp %l[labelname]" : /* no outputs */ : /* inputs */ : "memory" /* clobbers */ : labelname /* any labels used */ );

CMPXCHG指令就是一个很有用的例子（参见Compare and Swap)，Linux内核源代码对其定义如下：

/* TODO: You should use modern GCC atomic instruction builtins instead of this. */
#include <stdint.h>
#define cmpxchg( ptr, _old, _new ) { \
  volatile uint32_t *__ptr = (volatile uint32_t *)(ptr);   \
  uint32_t __ret;                                     \
  asm volatile( "lock; cmpxchgl %2,%1"           \
    : "=a" (__ret), "+m" (*__ptr)                \
    : "r" (_new), "0" (_old)                     \
    : "memory");				 \
  );                                             \
  __ret;                                         \
}

除了返回EAX中的当前值，CMPXCHG在成功时设置零标志（Z）。 如果没有ASM GOTOS，你的代码将必须检查返回值；可以按如下方式避免此CMP指令：

/* TODO: You should use modern GCC atomic instruction builtins instead of this. */
// Works for both 32 and 64 bit
#include <stdint.h>
#define cmpxchg( ptr, _old, _new, fail_label ) { \
  volatile uint32_t *__ptr = (volatile uint32_t *)(ptr);   \
  asm goto( "lock; cmpxchg %1,%0 \t\n"           \
    "jnz %l[" #fail_label "] \t\n"               \
    : /* empty */                                \
    : "m" (*__ptr), "r" (_new), "a" (_old)       \
    : "memory", "cc"                             \
    : fail_label );                              \
}

然后可以按如下方式使用此新宏：

struct Item {
volatile struct Item* next;
};

volatile struct Item *head;

void addItem( struct Item *i ) {
volatile struct Item *oldHead;
again:
oldHead = head;
i->next = oldHead;
cmpxchg( &head, oldHead, i, again );
}

Intel语法

通过在内联汇编中启用选项，你可以让GCC使用Intel语法，如下所示：

asm(".intel_syntax noprefix");
asm("mov eax, ebx");

类似地，你可以使用以下代码段切换回AT&T语法：

asm(".att_syntax prefix");
asm("mov %ebx, %eax");

通过这种方式，你可以将Intel语法和AT&T语法内联汇编结合起来。 请注意，一旦触发其中一种语法类型，源文件中命令下面的所有内容都将使用此语法进行汇编， 因此，在必要时不要忘记切换回来，否则可能会出现大量编译错误！

还有一个命令行选项-masm=intel，用于全局触发Intel语法。

另见

文章

• Inline Assembly/Examples - 有用且常用的函数

论坛主题

• asm volatile being moved

外部链接

• GCC Manuals
• Inline assembly for x86 in Linux (by IBM)
• Visual C++ Compiler Intrinsics