x86 - 获取比较指令的值

Question

据我了解，cmp指令将设置标志寄存器中的某些位。然后，您可以使用诸如jle，jnp等指令来基于这些指令进行分支。

我想知道的是如何从比较中恢复整数值。

示例：以下是有效的c语法

y = x[a >= 13];

因此，将a与13进行比较，得出true或false分别解释为1或0。但是，必须将1或0作为整数输入到数组访问中。编译器会做什么？

我能想到的一些事情是：

进行比较，然后跳转到x [0]或x [1]

进行比较，然后分支以执行tmp = 0或tmp = 1然后执行x [tmp]

也许在标志上做一些花哨的逻辑（不确定是否有直接访问标志的指令）

我已尝试查看此代码示例中gcc吐出的内容，但是不可能从它抛出的所有多余垃圾中挑选出逻辑。

我正在开发一个编译器，所以任何建议将不胜感激。

Answer 1

基本上可以通过三种方式完成此操作。我一次要遍历他们。

一种解决方法基本上就是您在问题中描述的内容：进行比较，然后跳转到分别实现这两种可能性的代码。例如：

    cmp  [a], 13                     ; compare 'a' to 13, setting flags like subtraction
    jge  GreaterThanOrEqual          ; jump if 'a' >= 13, otherwise fall through

    mov  eax, [x * 0 * sizeof(x[0])] ; EAX = x[0]
    jmp  Next                        ; EAX now loaded with value, so do unconditional jump

GreaterThanOrEqual:
    mov  eax, [x * 1 * sizeof(x[0])] ; EAX = x[1]
                                     ; EAX now loaded with value; fall through

Next:
    mov  [y], eax                    ; store value of EAX in 'y'

通常，编译器会尝试在寄存器中保留更多的值，但这应该使您对基本逻辑有所了解。它进行比较，然后跳转到读取/加载 x[1]的指令，或者跳转到读取/加载 x[0]的指令。然后，它移至将值存储到 y的指令。

您应该能够看到，由于需要所有分支，因此效率相对较低。因此，优化编译器不会生成这样的代码，尤其是在您具有基本三元表达式的简单情况下：

(a >= 13) ? 1 : 0

甚至：

(a >= 13) ? 125 : -8

可使用位旋转技巧来进行此比较并获得相应的整数，而不必执行分支。

这将我们带到第二种实现方法，即使用 SETcc指令。 cc部分代表“条件代码”，并且所有条件代码都与条件跳转指令的条件代码相同。 （实际上，您可以将所有条件跳转指令写为 Jcc。）例如， jge表示“如果大于等于则跳转”。类似地， setge表示“如果大于等于则设置”。简单。

关于 SETcc的技巧是设置一个BYTE大小的寄存器，这基本上意味着 AL， CL， DL或 BL（还有更多选项；您可以设置其中一个的高字节这些寄存器，和/或在64位长模式下，还有更多选项，但这是操作数的基本选择）。

这是实现此策略的代码示例：

xor   edx, edx        ; clear EDX
cmp   [a], 13         ; compare 'a' to 13, setting flags like subtraction
setge dl              ; set DL to 1 if greater-than-or-equal, or 0 otherwise
mov   eax, [x * edx * sizeof(x[0])]
mov   [y], eax

酷吧？分支淘汰。所需的0或1直接加载到 DL中，然后用作加载的一部分（ MOV指令）。

唯一有点令人困惑的是，您需要知道 DL是完整的32位 EDX寄存器的低字节。这就是为什么我们需要预先清除完整的 EDX的原因，因为 setge dl仅影响低字节，但是我们希望完整的 EDX为0或1。事实证明，将全部寄存器预清零是 the most optimal way of doing this on all processors，但是还有其他方法，例如在 MOVZX指令后使用 SETcc。链接的答案对此进行了详细介绍，因此在这里我不会感到惊讶。关键在于 SETcc仅设置寄存器的低字节，但是后续指令要求整个32位寄存器具有该值，因此您需要消除高字节中的垃圾。

无论如何，这是当您编写 y = x[a >= 13]之类的代码时，编译器将生成99％的代码。 SETcc指令为您提供了一种方法，可以根据一个或多个标志的状态来设置字节，就像可以在标志上进行分支一样。基本上，这就是您正在考虑的一条允许直接访问标志的指令。

这实现了

(a >= 13) ? 1 : 0

但是如果你想做什么

(a >= 13) ? 125 : -8

就像我之前提到的？好的，您仍然使用 SETcc指令，但是之后要花一些点花哨的时间来“固定”结果0或1为您想要的值。例如：

xor   edx, edx
cmp   [a], 13
setge dl
dec   edx
and   dl, 123
add   edx, 125
; do whatever with EDX

这几乎适用于任何二进制选择（取决于条件，两个可能的值），并且优化编译器足够聪明来解决这个问题。仍然是无分支的代码；很酷。

有第三种方法可以实现，但是从概念上讲，它与我们刚才讨论的第二种方法非常相似。它使用条件移动指令，这是基于标志状态进行无分支设置的另一种方法。条件移动指令为 CMOVcc，其中 cc再次引用“条件代码”，与前面示例中的完全一样。 CMOVcc指令是在1995年左右的Pentium Pro中引入的，此后一直在所有处理器中使用（不是Pentium MMX，而是Pentium II和更高版本），因此基本上就是您今天所见的一切。

该代码非常相似，只是顾名思义，它是有条件的移动，因此需要更多的初步设置。具体来说，您需要将候选值加载到寄存器中，以便可以选择合适的候选值：

xor    edx, edx    ; EDX = 0
mov    eax, 1      ; EAX = 1
cmp    [a], 13     ; compare 'a' to 13 and set flags
cmovge edx, eax    ; EDX = (a >= 13 ? EAX : EDX)
mov    eax, [x * edx * sizeof(x[0])]
mov    [y], eax

请注意，将 EAX移到 EDX是有条件的-仅在标志指示条件 ge（大于或等于）时才会发生。因此，它可以执行基本的C三进制运算，如指令右侧的注释所述。如果标志指示 ge，则将 EAX移入 EDX。否则，什么都不会移动，并且 EDX保持其原始值。

请注意，尽管某些编译器（特别是Intel的编译器，称为ICC）将首选 CMOV指令而不是 SET指令，但这与我们先前在 SETGE中看到的以前的实现没有任何优势。实际上，这确实不是最佳选择。

CMOV真正有用的地方是，您可以消除获取除旧的0或1以外的值所需的位旋转代码。例如：

mov    edx, -8     ; EDX = -8
mov    eax, 125    ; EAX = 125
cmp    [a], 13     ; compare 'a' to 13 and set flags
cmovge edx, eax    ; EDX = (a >= 13 ? EAX : EDX)
; do whatever with EDX

现在减少了指令的数量，因为正确的值被直接移入了 EDX寄存器，而不是将其设置为0或1，然后不得不将其操纵为所需的值。因此，编译器将使用 CMOV指令（当针对支持它们的处理器时，如上所述）实现更复杂的逻辑，例如

(a >= 13) ? 125 : -8

即使他们可以使用其他方法之一进行操作。当条件两侧的操作数不是编译时常量时（例如，它们是仅在运行时才知道的寄存器中的值），您还需要条件移动。

有帮助吗？ :-)


我试图看一下gcc在此代码示例中吐出的内容，但是不可能从它抛出的所有额外垃圾中挑选出逻辑。


是的我为您提供一些提示：


将代码放到一个非常简单的函数中，该函数仅执行您想学习的内容。您将需要将输入作为参数（这样优化器就不会轻易折叠常量），并且您想从函数返回输出。例如：

int Foo(int a)
{
    return a >= 13;
}

返回 bool也可以在这里工作。当然，如果使用条件运算符返回0或1以外的值，则需要返回 int。

无论哪种方式，现在您都可以准确看到编译器生成的汇编指令以实现此目的，而不会产生任何其他噪音。确保已启用优化；看着调试代码是没有启发性的，并且非常嘈杂。
确保您要求GCC使用Intel / MASM格式生成程序集列表，该格式比其默认格式GAS / AT＆T语法更容易阅读（至少在我看来）。我上面的所有汇编代码示例都是使用Intel语法编写的。要求的咒语是：

gcc -S -masm=intel MyFile.c

其中， -S为输入源代码文件生成一个程序集列表，而 -masm=intel将程序集列表语法格式切换为Intel样式。
使用类似 Godbolt Compiler Explorer的漂亮工具，该工具可以自动完成所有这些操作，从而大大减少周转时间。另一个好处是，它对汇编指令进行了颜色编码，以与原始源代码中的C代码行匹配。

Here is an example of what you'd use to study this。原始来源在最左边。中间窗格显示了GCC 7.1的现代处理器汇编输出，该处理器支持 CMOV指令。最右边的窗格显示了GCC 7.1的汇编输出，用于不支持 CMOV指令的非常旧的处理器。酷吧？您可以轻松地操纵编译器开关，并观察输出如何变化。例如，如果您使用 -m64（64位）而不是 -m32（32位），则会看到参数是通过寄存器（ EDI）传递的，而不是通过堆栈，并且必须作为函数中的第一条指令加载到寄存器中。