WARNING

这是《深入理解计算机系统》(CS)的笔记，彼时还未上CO,OS等计算机系统基础课，存在理解不到位与错误之处.

汇编语言初步，并且从机器代码看我们的程序。
使用ATT汇编代码格式（而不是Intel）

寄存器名称#

%xxx可能表示寄存器名称。特殊地，%rip 表示程序计数器，这里面包含了下一个要执行的指令。%rax,%rbx都表示寄存器。%在反汇编中往往缺省。
命名、用处、只操作低位几字节见P120，不同命名可能是同一寄存器的低位。

不同的数据用到的寄存器位数不一样，对应的寄存器虽然是同一个器件，但是识别名称不一样。如%rax是第一个寄存器64位时的名称，而%eax是同一个寄存器只用32位时的名称。8、16、32、64都有单独的名称

值得注意的是，任意为寄存器进行低32位操作的指令，都会直接把高32位置0.

数据类型(Intel x86-64)#

P119 《深入理解计算机系统》
可见机器代码中，不分辨整型和指针。整型和浮点数使用完全不同的指令集和寄存器。

数据访问#

操作数#

这些数值是被运算、移动的对象。
从不同来源读取数字：常量 寄存器 主存
常量 Imm，反汇编中为$+数字
寄存器，r 为寄存器名称，指令r表示R[r],从寄存器 r 中取出数字。
主存：Imm(r1,r2,s) 表示 M[Imm+R[r1]+R[r2] * s]，在主存中访问中括号中地址值的数值。Imm可无，括号及其中所有可无（只剩Imm)，r1可无，s可无。反正Imm,r1,r2,s四个任意排列组合。
注意s一定只能是1,2,4,8中的一个，或者缺省。

可见C语言的指针ptr就是那个主存地址。如果一个指针存储在寄存器%rcx中，则（%rcx）就能访问到ptr指向的数据。

数据传送#

1）MOV S D : 将源数据S复制到目标位置D中。如果S位数低于D所能存储的位数(64bits)，除了复制 l 即双字int时把高位置0，其它时候不变高位。

例如：movq (%rdi), %rax 把地址为R[%rdi]的主存的值放入寄存器%rax

2） MOVZ S R: 把源数据S送到R寄存器 处。如果S位数低，对S进行高位0扩展，然后再移动
格式：movz_ _ 两个下划线都是类型（字），前一个是S，后一个是R的类型。前一个的类型必须短于后一个类型，注意没有movzlq，因为移动双字高位清零，默认为0扩展！
例如：movbq,表示把字节数据0扩展为四字数据，赋值到目标寄存器。
用于unsigned

3）MOVS S R: 把源数据S送到指定寄存器 处。对S进行符号位扩展。符号位为0，高位全为0，符号位为1，高位全为1.
格式：movs_ _ 意义同上。
用于signed
这一族里面有一个特殊的 cltq 指令，它没有操作数，默认读出%rax寄存器的低32位，进行符号位扩展到64位，仍在%rax中。

任何数据传送指令都不能直接把主存中的数据存到主存中去，一定要先从主存到寄存器，再从寄存器到主存。即S D 不能同时是主存的操作数
强制类型转换中，涉及到数据长度变化有涉及到符号变化的，先在自己的数据类型下扩充长度，再用另一种解释解读数据（即二进制数实际上不变） 如int a=-1, 二进制0xffffffff，全1，(unsigned long long)a会变成 2^64-1，即也是全1。只有从机器代码看，只有数据在本类型下的扩充才有对应的机器指令，即movs movz，同样长度的数据类型转换（符号变换）只是在软件上换了一种解读方式，二进制数字形式没变。
windows下long 是48位而非64位。

入栈出栈#

pushq popq
程序中的栈由 %rsp 维持。%rsp只存储栈顶Top的指针，实际的是栈在主存的数组。栈是向下生长的，也就是栈顶地址是最小的。%rsp中是地址，一定是四字q
pushq S 把源数据S入栈。 R[%rsp] <—R[%rsp]-8; (%rsp) <— S先更新栈顶指针，在把数据放进指针所指。Stack[++top]=S;
popq S 把栈顶数据放到目标位置D中。D <—(%rsp); R[%rsp] <—R[%rsp]+8; 类比于D=Stack[top—];
规定栈向低地址生长，可以访问到栈中任意元素。8*k(%rsp)，表示访问从栈顶往上推，第i个数据。
这个栈的用处，在 汇编语言初步（2） 中详细介绍

x86中有一些奇特的指令，比如 PUSH SP 指令将 SP 寄存器中的值 -2 后压入栈中，这时候不同的机器会有微妙的不同，有的先把SP-2，再入栈；有的先入栈原值，才在SP上-2。虽然很少见这样的指令，但也为可移植性带来了担忧。
pop的类似指令中没有这样的差异。

算数与逻辑运算#

64位及以下常规运算#

本大组运算中，除了 leaq 所有指令都在末尾加上 b w l q的子族，对应不同的数据类型。

1）leaq S D : &S —> D 加载有效地址
这个指令很特殊，S一定是一个访问主存格式的操作数，D一定是寄存器，它的原意是把S（这个主存）的地址放到寄存器D中。如：

leaq (%rsi) %rax  

(%rsi)对应地址是%rsi所存储的值的内存的值，但是leaq指令并不访问这个值，而直接把%rsi中存的这个地址放到寄存器%rax中。
显然不一定只限制为“地址”，直接把寄存器中的64位数全当成地址，可以实现有限的64位数加法和乘法。例如：

/* x in %rsi, y in %rdx */  
leaq 2(%rsi,rdx,4) %rdx  
/* 数值上等价于 y = 2 + x + 4y */  

即，leaq可以便利实现取地址运算符，和对直接存储在寄存器上的变量的有限的加减乘运算。

2）单操作数
对应x++，x—，x~=x，x-=x 单目运算。

D可以是寄存器也可以是主存。

3）双操作数
S D：把D中数和S进行运算后放到D中。S可以是Imm，R，M，D可以是R，M，任意组合。

注意这个imul，它有对应的b w l q子族，而imulq+双操作数对应结果截取64位，有不同的全乘法得到128位版本。

3）移位操作
XXX k D: 把D中数字移动K位，仍在D中。D可以是主存也可以是寄存器。

结果存储位128位的全乘法全除法#

算术左端的被乘数、被除数一定放在 %rax 中！乘法结果中，%rax存低四位，%rdx存高四位！除法中，%rax存商，%rdx存余数。
指令中的操作数是乘数和被乘数。

控制与跳转#

它们是实现判断、循环等的基础。

条件码#

一个bit的条件码，反应了刚才进行的计算的一些特征，通过它们可以进行复杂的条件判断。

有两组指令对条件码进行修改：CMP TEST，它们的后缀为表示数据类型的 b w l q。
CMP S1 S2：计算S2-S1但不改变寄存器的值，只改变条件码。不同的结果、不同的数据类型会标识不同的条件码。
TEST S1 S2：计算 S1&S2, 其它同上。

访问条件码：SET族指令。
SET D 把访问结果放到D中去。注意SET族的后缀不是表示数据类型的b w l q！它有一大串后缀，表示不同的条件码排列组合并且进行不同的逻辑运算后得到的结果。如sete setne sets… 等。具体在《深入理解计算机系统》P137

跳转指令：JUMP族#

JUMP label ：有条件或者无条件地跳转到 label所在的位置。

1）jump Label / *Operand
无条件跳转。其中Label是写在机器代码中的“常数”，*Operand可以是从存储中读出来的某个地址。前面加 * 表示。

2）j+后缀：有条件跳转
这里的后缀和SET含义一样，相应地访问条件码，进行相应计算，符合条件（为1）就跳转。
和SET后缀对应的条件码行为是一样的。
JUMP命令本身不会改变条件码的值，它会访问条件码（不需要额外SET）。它往往跟在CMP, TEST后面。
JUMP实现条件分支语句，成为条件控制方法，是标准、普适的方法。

JUMP实现条件控制，一般会判断错误的情况，若判断为错误，就跳到False对应的语句Label，而正确的是紧跟在判断后面。

/* 用 goto 表达编译器机器代码所做的事情，test_expr是条件 */  
	if(!test_expr)  //判断错误情况。  
		goto False;  
	{True statement}  //条件为真时，要做的事情。  
	goto done;    //跳去if-else后面的其它语句，下一个。  
False:  
	{False statement}  
done:  
	......  

一般情况下，都会是上面这个格式。

3）JUMP指令会亏损微处理器的“指令流水”，降低效率。
流水线：处理器执行一条指令要做的事：读取指令—从内存读数据—执行计算—将结果写入内存。如果没执行一条指令要等这四步执行完再下一条，会导致一定的空闲，降低速度（如计算时候读取指令的硬件不工作，读指令时计算单元不工作，浪费）。使用流水线，当处理器在处理本条指令的时候，同时就读取下一条指令，这样就减少浪费。这要求处理器明确知道要读取的下一条指令是什么，也就是指令必须是严格线性一条一条来的，这样指令永远是满的，更快。（也就是读取指令的硬件会时刻不停地把指令读到“指令队列“，执行单元从队列中拿指令，没有等待时间）

如果用JUMP跳转函数，处理器不知道下一条指令在哪里（可能会跳到别处），必须等判断指令进行完毕才能读取指令，降低了速度。
使用分支预测逻辑电路 猜测会进入到哪个分支，并且在执行完判断前根据猜测直接进入该分支进行流水操作。但预测总有个概率问题（最好的也不到90%，并且不同问题准度不同，如x<y就太随机了），如果预测错误，要抛弃处理器已经在所预测的分支中读取的指令，并返回正确的指令读取，亏损是巨大的。（十数个时间周期）。

于是有另一种条件分支机器编码策略：条件转移。当不同的条件下进行的操作较统一（且足够简单，是必须相当简单！如只有一个加法减法）时，机器代码首先计算所有分支下的结果，然后进行判断，对应的把判断为真的情况所计算的结果复制到结果寄存器中（比如要返回，则把正确结果复制到%rax），这样这个指令就是线性的，不用预测下一个指令在哪。
一般会把其中一个直接放到结果寄存器，判断是否需要复制更新。于是有CMOV指令

条件转移策略：CMOV指令#

它紧跟着用于判断的CMP TEST指令使用，后缀和前面SET JUMP族指令的后缀意义与种类一样。
cmov_ _ S R：当满足后缀所确定的条件时，将S中的值复制到R中去。
它用于条件转移的条件分支语句机器实现。一般，问号表达式就对应着这种策略，能很方便的应用条件转移。

问号表达式的隐患：问号表达式强制编译器以条件转移（传送）方法进行机器代码汇编，条件传送的判断一步是在进行完所有分支的计算后，才在最后实行，可能导致错误，如：

long long *xp=XXXX;  
(xp) ? *xp : 0;  

这个语句提前判断xp是否是空指针，然后再访问。但问号表达式一定用条件转移方法实现，在判断xp是否是空指针前，已经对它进行了访问以试图计算出第一个分支的结果，导致错误！
如果你的判断是为了确定某个变量能否被正常引用（如越界、空指针等），请不要用问号表达式。

绝大多数情况，编译器仍使用可靠的条件控制方法。

实现循环#

本节中都使用思路类似的C伪代码表示汇编语言的实现。

do{ }while();#

......  
loop:  
	"body code";  
	if(test_expr)  
		goto loop;  

while(){}#

常规标准写法：

......  
	goto test;  
loop:  
	"body code";  
test:  
	if(test_expr)  
		goto loop  
循环外后续代码...  

guarded-do:
它常见于经过高级别优化的机器代码中，比如-O1,-O2等，编译器常常能在初始判断中找到简化优化的方法。

	if(!test_expr)  
		goto done;  //初始条件不成立，跳过此循环  
loop:  
	"body code";  
	if(t_expr)  
		goto loop;  
done:  
	......  

for( ; ; ){}#

转化为while。只用特别注意continue是跳到update语句。

switch(){}#

维护一个跳跃表。多数情况switch的实现过程是，将标签变量的值减去所有case中最小的那个，然后这个值就是跳跃表中的 “下标” ，根据这个下标无条件跳转到(jmp)跳跃表中规定好的位置，这里就是这个case下要执行的代码块的位置。有的case不在switch的case中显示出现，跳跃表中仍会让这个情况占用一行，它对应的标签就是指向了default对应的代码块。同样的，如果有的case被放在了一起，（如case 2: case 4:)，以这两个数为下标的跳跃表中元素是同样的位置。
当遇到case中的break时，编译器给这个代码块一格无条件跳转 jmp 到switch{ }外面的语句块，表示结束。如果没有遇到这个break，机器会直接滑入下一个Label对应的语句块中执行，这就是C语言switch奇怪规则的来源。可见，汇编代码中各个代码块的顺序和switch中case对应的顺序一致。当然，它们的标签Label可未必按顺序命名。
跳跃表的形成类似编译器对数组结构的实现与维护。