gcc - 在内联汇编的多个替代操作数约束之间进行选择时，GCC 能否发出不同的指令助记符？

Question

我正在尝试为 GCC 编写内联 x86-64 程序集以有效地使用 MULQ 指令。 MULQ 将 64 位寄存器 RAX 与另一个 64 位值相乘。另一个值可以是任何 64 位寄存器(甚至 RAX)或内存中的值。 MULQ 将乘积的高 64 位放入 RDX，将低 64 位放入 RAX。

现在，很容易将正确的 mulq 表达为内联汇编:

#include <stdint.h>
static inline void mulq(uint64_t *high, uint64_t *low, uint64_t x, uint64_t y)
{
    asm ("mulq %[y]" 
          : "=d" (*high), "=a" (*low)
          : "a" (x), [y] "rm" (y)    
        );
}

此代码是正确的，但不是最佳的。 MULQ 是可交换的，所以如果 y碰巧已经在RAX，那么离开是正确的 y它在哪里并进行乘法运算。但是 GCC 不知道这一点，所以它会发出额外的指令来将操作数移动到它们预定义的位置。我想告诉 GCC 它可以将任一输入放在任一位置，只要一个输入以 RAX 结束并且 MULQ 引用另一个位置。 GCC 对此有一个语法，称为“多个替代约束”。请注意逗号(但整个 asm() 已损坏；见下文):

asm ("mulq %[y]" 
      : "=d,d" (*high), "=a,a" (*low)
      : "a,rm" (x), [y] "rm,a" (y)    
    );

不幸的是，这是错误的。如果 GCC 选择第二个替代约束，它将发出“mulq %rax”。为了清楚起见，请考虑以下功能:

uint64_t f()
{
    uint64_t high, low;
    uint64_t rax;
    asm("or %0,%0": "=a" (rax));
    mulq(&high, &low, 7, rax);
    return high;
}

编译 gcc -O3 -c -fkeep-inline-functions mulq.c , GCC 发出这个程序集:

0000000000000010 <f>:
  10:   or     %rax,%rax
  13:   mov    $0x7,%edx
  18:   mul    %rax
  1b:   mov    %rdx,%rax
  1e:   retq

“mul %rax”应该是“mul %rdx”。

如何重写这个内联汇编，以便在每种情况下都能生成正确的输出？

Answer 1

这个 2012 年的问题在 2019 年仍然非常重要。虽然 gcc 已经改变并且生成的一些代码在 2012 年不是最佳的，但现在是，反过来也成立。

灵感来自 Whitlock的分析，我已经测试过 mulq在 9 种不同的情况下，每个 x和 y是常量( 5 ， 6 )或内存中的值( bar ， zar )或 rax 中的值( f1() , f2() ):

uint64_t h1() { uint64_t h, l; mulq(&h, &l,    5,    6); return h + l; }
uint64_t h2() { uint64_t h, l; mulq(&h, &l,    5,  bar); return h + l; }
uint64_t h3() { uint64_t h, l; mulq(&h, &l,    5, f1()); return h + l; }
uint64_t h4() { uint64_t h, l; mulq(&h, &l,  bar,    5); return h + l; }
uint64_t h5() { uint64_t h, l; mulq(&h, &l,  bar,  zar); return h + l; }
uint64_t h6() { uint64_t h, l; mulq(&h, &l,  bar, f1()); return h + l; }
uint64_t h7() { uint64_t h, l; mulq(&h, &l, f1(),    5); return h + l; }
uint64_t h8() { uint64_t h, l; mulq(&h, &l, f1(),  bar); return h + l; }
uint64_t h9() { uint64_t h, l; mulq(&h, &l, f1(), f2()); return h + l; }

我已经测试了 5 个实现: Staufk , Whitlock , Hale , Burdo和我自己的:

inline void mulq(uint64_t *high, uint64_t *low, uint64_t x, uint64_t y) {
    asm("mulq %[y]" : [a]"=a,a"(*low), "=d,d"(*high) : "%a,rm"(x), [y]"rm,a"(y) : "cc");
}

所有实现仍然无法在所有情况下生成最佳代码。虽然其他人无法为 h3, 生成最佳代码 h4和 h6 , Whitlock's 和我的失败仅适用于 h3 :

h3():
 callq 4004d0 <f1()>
 mov %rax,%r8
 mov $0x5,%eax
 mul %r8
 add %rdx,%rax
 retq 

在其他条件相同的情况下，可以看出我的比 Whitlock 的简单。通过额外的间接级别并使用 gcc 的内置函数(也可在 clang 中使用，但我尚未测试)，可以获得最佳 h3通过调用此函数而不是 mulq :

inline void mulq_fixed(uint64_t* high, uint64_t* low, uint64_t x, uint64_t y) {
    if (__builtin_constant_p(x))
        mulq(high, low, y, x);
    else
        mulq(high, low, x, y);
}

产量:

h3():
 callq 4004d0 <f1()>
 mov $0x5,%edx
 mul %rdx
 add %rdx,%rax
 retq 

使用思路 __builtin_constant_p实际上取自 gcc的文档:

There is no way within the template to determine which alternative was chosen. However you may be able to wrap your asm statements with builtins such as __builtin_constant_p to achieve the desired results.

亲自查看 Compiler Explorer .

注意:Whitlock 的实现还有另一个较小且意想不到的缺点。您需要在 Compiler Explorer 中检查选项 11010否则输出会产生误导和功能 h1 , ..., h9出现使用说明 mulq两次。这是因为编译器资源管理器的解析器不处理汇编指令 .ifnc/ .else/ .endif properly并简单地删除它们，显示两个可能的路径( .if 和 .else )。或者，您可以取消选中选项 .text。