在 Linux 代码中，经常可以看到在 C 代码中，嵌入部分汇编代码，这些代码要么是与硬件体系相关的，要么是对性能有关键影响的。
在很久以前，我特别惧怕内嵌汇编代码，直到后来把汇编部分的短板补上之后，才彻底终结这种心理。
也许你在工作中，几乎不会涉及到内嵌汇编代码的工作，但是一旦进入到系统的底层，或者需要对时间关键场景进行优化，这个时候你的知识储备就发挥重要作用了!
这篇文章，我们就来详细聊一聊在 C 语言中，如何通过 asm 关键字来嵌入汇编语言代码，文中的 8 个示例代码从简单到复杂，逐步深入地介绍内联汇编的关键语法规则。
希望这篇文章能够成为你进阶高手路上的垫脚石!
PS:
- 示例代码中使用的是 Linux 系统中 AT&T 汇编语法;
- 文章中的 8 个示例代码，可以在公众号后台回复【426】，即可收到下载地址;
一、基本 asm 格式
- gcc 编译器支持 2 种形式的内联 asm 代码：
- 基本 asm 格式：不支持操作数;
扩展 asm 格式：支持操作数;
1. 语法规则
asm [volatile] ("汇编指令")
- 所有指令，必须用双引号包裹起来;
- 超过一条指令，必须用\n分隔符进行分割，为了排版，一般会加上\t;
- 多条汇编指令，可以写在一行，也可以写在多行;
- 关键字 asm 可以使用 asm 来替换;
- volatile 是可选的，编译器有可能对汇编代码进行优化，使用 volatile 关键字之后，告诉编译器不要优化手写的内联汇编代码。
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语言中会自动把两个连续的字符串字面量拼接成一个，所以"nop\n\tnop\n\t" "nop"这两个字符串会自动拼接成一个字符串。
生成汇编代码指令：
- gcc -m32 -S -o test1.s test1.c
test1.s 中内容如下(只贴出了内联汇编代码相关部分的代码)：
- #APP
- # 5 "test1.c" 1
- nop
- # 0 "" 2
- #NO_APP
- // 这里是 printf 语句生成的代码。
- #APP
- # 7 "test1.c" 1
- nop
- nop
- nop
- # 0 "" 2
- #NO_APP
可以看到，内联汇编代码被两个注释(#APP ... #NO_APP)包裹起来。在源码中嵌入了两个汇编代码，因此可以看到 gcc 编译器生成的汇编代码中包含了这两部分代码。
这 2 部分嵌入的汇编代码都是空指令 nop，没有什么意义。
3. test2.c 操作全局变量
在 C 代码中嵌入汇编指令，目的是用来计算，或者执行一定的功能，下面我们就来看一下，如何在内联汇编指令中，操作全局变量。
- #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;
- }
关于汇编指令中编译器的基本知识：
eax, ebx 都是 x86 平台中的寄存器(32位)，在基本asm格式中，寄存器的前面必须加上百分号%。
32 位的寄存器 eax 可以当做 16 位来使用(ax)，或者当做 8 位来使用(ah, al)，本文只会按照 32 位来使用。
代码说明：
- movl a, %eax // 把变量a的值复制到 %eax 寄存器中;
- addl b, %eax // 把变量 b 的值 与 %eax 寄存器中的值(a)相加，结果放在 %eax 寄存器中;
- movl %eax, c // 把 %eax 寄存器中的值复制到变量 c 中;
生成汇编代码指令：
- gcc -m32 -S -o test2.s test2.c
test2.s 内容如下(只贴出与内联汇编代码相关部分)：
- #APP
- # 9 "test2.c" 1
- movl a, %eax
- addl b, %eax
- movl %eax, c
- # 0 "" 2
- #NO_APP
可以看到，在内联汇编代码中，可以直接使用全局变量 a, b 的名称来操作。执行 test2，可以得到正确的结果。
思考一个问题：为什么在汇编代码中，可以使用变量a, b, c?
查看 test2.s 中内联汇编代码之前的部分，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
变量 a, b 被 .globl 修饰，c 被 .comm 修饰，相当于是把它们导出为全局的，所以可以在汇编代码中使用。
那么问题来了：如果是一个局部变量，在汇编代代码中就不会用 .globl 导出，此时在内联汇编指令中，还可以直接使用吗?
眼见为实，我们把这 3 个变量放到 main 函数的内部，作为局部变量来试一下。
4. test3.c 尝试操作局部变量
- #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;
- }
生成汇编代码指令：
- gcc -m32 -S -o test3.s test3.c
在 test3.s 中可以看到没有 a, b, c 的导出符号，a 和 b 没有其他地方使用，因此直接把他们的数值复制到栈空间中了：
- movl $1, -20(%ebp)
- movl $2, -16(%ebp)
我们来尝试编译成可执行程序：
- $ 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
编译报错：找不到对 a,b,c 的引用!那该怎么办，才能使用局部变量呢?扩展 asm 格式!
二、扩展 asm 格式
1. 指令格式
asm [volatile] ("汇编指令" : "输出操作数列表" : "输入操作数列表" : "改动的寄存器")
格式说明
- 汇编指令：与基本asm格式相同;
- 输出操作数列表：汇编代码如何把处理结果传递到 C 代码中;
- 输入操作数列表：C 代码如何把数据传递给内联汇编代码;
- 改动的寄存器：告诉编译器，在内联汇编代码中，我们使用了哪些寄存器;
- “改动的寄存器”可以省略，此时最后一个冒号可以不要，但是前面的冒号必须保留，即使输出/输入操作数列表为空。
关于“改动的寄存器”再解释一下：gcc 在编译 C 代码的时候，需要使用一系列寄存器;我们手写的内联汇编代码中，也使用了一些寄存器。
为了通知编译器，让它知道: 在内联汇编代码中有哪些寄存器被我们用户使用了，可以在这里列举出来，这样的话，gcc 就会避免使用这些列举出的寄存器
2. 输出和输入操作数列表的格式
在系统中，存储变量的地方就2个：寄存器和内存。因此，告诉内联汇编代码输出和输入操作数，其实就是告诉它：
- 向哪些寄存器或内存地址输出结果;
- 从哪些寄存器或内存地址读取输入数据;
这个过程也要满足一定的格式：
"[输出修饰符]约束"(寄存器或内存地址)
(1)约束
就是通过不同的字符，来告诉编译器使用哪些寄存器，或者内存地址。包括下面这些字符：
- 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: 使用变量的内存位置;
先记住这几个就够用了，其他的约束选项还有：D, S, q, A, f, t, u等等，需要的时候再查看文档。
(2)输出修饰符
顾名思义，它使用来修饰输出的，对输出寄存器或内存地址提供额外的说明，包括下面4个修饰符：
- +：被修饰的操作数可以读取，可以写入;
- =：被修饰的操作数只能写入;
- %：被修饰的操作数可以和下一个操作数互换;
- &：在内联函数完成之前，可以删除或者重新使用被修饰的操作数;
语言描述比较抽象，直接看例子!
3. test4.c 通过寄存器操作局部变量
- #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 个地方需要注意一下啊：
- 在内联汇编代码中，没有声明“改动的寄存器”列表，也就是说可以省略掉(前面的冒号也不需要);
- 扩展asm格式中，寄存器前面必须写 2 个%;
代码解释：
- "b"(data1),"c"(data2) ==> 把变量 data1 复制到寄存器 %ebx，变量 data2 复制到寄存器 %ecx。这样，内联汇编代码中，就可以通过这两个寄存器来操作这两个数了;
- "=a"(data3) ==> 把处理结果放在寄存器 %eax 中，然后复制给变量data3。前面的修饰符等号意思是：会写入往 %eax 中写入数据，不会从中读取数据;
通过上面的这种格式，内联汇编代码中，就可以使用指定的寄存器来操作局部变量了，稍后将会看到局部变量是如何从经过栈空间，复制到寄存器中的。
生成汇编代码指令：
- gcc -m32 -S -o test4.s test4.c
汇编代码 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，在进入手写的内联汇编代码之前：
- 把数字 1 通过栈空间(-20(%ebp))，复制到寄存器 %eax，再复制到寄存器 %ebx;
- 把数字 2 通过栈空间(-16(%ebp))，复制到寄存器 %edx，再复制到寄存器 %ecx;
这 2 个操作正是对应了内联汇编代码中的“输入操作数列表”部分："b"(data1),"c"(data2)。
在内联汇编代码之后(#NO_APP 之后)，把 %eax 寄存器中的值复制到栈中的 -12(%ebp) 位置，这个位置正是局部变量 data3 所在的位置，这样就完成了输出操作。
4. test5.c 声明改动的寄存器
在 test4.c 中，我们没有声明改动的寄存器，所以编译器可以任意选择使用哪些寄存器。从生成的汇编代码 test4.s 中可以看到，gcc 使用了 %edx 寄存器。
那么我们来测试一下：告诉 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;
- }
代码中，asm 指令最后部分 "%edx" ，就是用来告诉 gcc 编译器：在内联汇编代码中，我们会使用到 %edx 寄存器，你就不要用它了。
生成汇编代码指令：
- gcc -m32 -S -o test5.s test5.c
来看一下生成的汇编代码 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，在内联汇编代码之前，gcc 没有选择使用寄存器 %edx。
三、使用占位符来代替寄存器名称
在上面的示例中，只使用了 2 个寄存器来操作 2 个局部变量，如果操作数有很多，那么在内联汇编代码中去写每个寄存器的名称，就显得很不方便。
因此，扩展 asm 格式为我们提供了另一种偷懒的方法，来使用输出和输入操作数列表中的寄存器：占位符!
占位符有点类似于批处理脚本中，利用 2...来引用输入参数一样，内联汇编代码中的占位符，从输出操作数列表中的寄存器开始从 0 编号，一直编号到输入操作数列表中的所有寄存器。
还是看例子比较直接!
1. test6.c 使用占位符代替寄存器
- #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;
- }
代码说明：
- 输出操作数列表"=r"(data3)：约束使用字符 r, 也就是说不指定寄存器，由编译器来选择使用哪个寄存器来存储结果，最后复制到局部变量 data3中;
- 输入操作数列表"r"(data1),"r"(data2)：约束字符r, 不指定寄存器，由编译器来选择使用哪 2 个寄存器来接收局部变量 data1 和 data2;
- 输出操作数列表中只需要一个寄存器，因此在内联汇编代码中的 %0 就代表这个寄存器(即：从 0 开始计数);
- 输入操作数列表中有 2 个寄存器，因此在内联汇编代码中的 %1 和 %2 就代表这 2 个寄存器(即：从输出操作数列表的最后一个寄存器开始顺序计数);
生成汇编代码指令：
- gcc -m32 -S -o test6.s test6.c
汇编代码如下 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 编译器选择了 %eax 来存储局部变量 data1，%edx 来存储局部变量 data2 ，然后操作结果也存储在 %eax 寄存器中。
是不是感觉这样操作就方便多了?不用我们来指定使用哪些寄存器，直接交给编译器来选择。
在内联汇编代码中，使用 %0、%1 、%2 这样的占位符来使用寄存器。
别急，如果您觉得使用编号还是麻烦，容易出错，还有另一个更方便的操作：扩展 asm 格式还允许给这些占位符重命名，也就是给每一个寄存器起一个别名，然后在内联汇编代码中使用别名来操作寄存器。
还是看代码!
2. test7.c 给寄存器起别名
- #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;
- }
代码说明：
- 输出操作数列表：给寄存器(gcc 编译器选择的)取了一个别名 v3;
- 输入操作数列表：给寄存器(gcc 编译器选择的)取了一个别名 v1 和 v2;
起立别名之后，在内联汇编代码中就可以直接使用这些别名( %[v1], %[v2], %[v3])来操作数据了。
生成汇编代码指令：
- gcc -m32 -S -o test7.s test7.c
再来看一下生成的汇编代码 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)
这部分的汇编代码与 test6.s 中完全一样!
四、使用内存位置
在以上的示例中，输出操作数列表和输入操作数列表部分，使用的都是寄存器(约束字符：a, b, c, d, r等等)。
我们可以指定使用哪个寄存器，也可以交给编译器来选择使用哪些寄存器，通过寄存器来操作数据，速度会更快一些。
如果我们愿意的话，也可以直接使用变量的内存地址来操作变量，此时就需要使用约束字符 m。
1. test8.c 使用内存地址来操作数据
- #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;
- }
代码说明：
- 输出操作数列表 "=m"(data3)：直接使用变量 data3 的内存地址;
- 输入操作数列表 "m"(data1),"m"(data2)：直接使用变量 data1, data2 的内存地址;
在内联汇编代码中，因为需要进行相加计算，因此需要使用一个寄存器(%eax)，计算这个环节是肯定需要寄存器的。
在操作那些内存地址中的数据时，使用的仍然是按顺序编号的占位符。
生成汇编代码指令：
- gcc -m32 -S -o test8.s test8.c
生成的汇编代码如下 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：在进入内联汇编代码之前，把 data1 和 data2 的值放在了栈中，然后直接把栈中的数据与寄存器 %eax 进行操作，最后再把操作结果(%eax)，复制到栈中 data3 的位置(-16(%ebp))。
五、总结
通过以上 8 个示例，我们把内联汇编代码中的关键语法规则进行了讲解，有了这个基础，就可以在内联汇编代码中编写更加复杂的指令了。
