c - 如何从内联汇编访问 C 结构/变量？

Question

考虑以下代码:

    int bn_div(bn_t *bn1, bn_t *bn2, bn_t *bnr)
  {
    uint32 q, m;        /* Division Result */
    uint32 i;           /* Loop Counter */
    uint32 j;           /* Loop Counter */

    /* Check Input */
    if (bn1 == NULL) return(EFAULT);
    if (bn1->dat == NULL) return(EFAULT);
    if (bn2 == NULL) return(EFAULT);
    if (bn2->dat == NULL) return(EFAULT);
    if (bnr == NULL) return(EFAULT);
    if (bnr->dat == NULL) return(EFAULT);


    #if defined(__i386__) || defined(__amd64__)
    __asm__ (".intel_syntax noprefix");
    __asm__ ("pushl %eax");
    __asm__ ("pushl %edx");
    __asm__ ("pushf");
    __asm__ ("movl %eax, (bn1->dat[i])");
    __asm__ ("xorl %edx, %edx");
    __asm__ ("divl (bn2->dat[j])");
    __asm__ ("movl (q), %eax");
    __asm__ ("movl (m), %edx");
    __asm__ ("popf");
    __asm__ ("popl %edx");
    __asm__ ("popl %eax");
    #else
    q = bn->dat[i] / bn->dat[j];
    m = bn->dat[i] % bn->dat[j];
    #endif
    /* Return */
    return(0);
  }

数据类型 uint32 基本上是 unsigned long int 或 uint32_t 无符号 32 位整数。 bnint 类型是无符号短整型 (uint16_t) 或 uint32_t，具体取决于 64 位数据类型是否可用。如果 64 位可用，则 bnint 为 uint32，否则为 uint16。这样做是为了捕获代码其他部分的进位/溢出。结构体bn_t定义如下:

typedef struct bn_data_t bn_t;
struct bn_data_t
  {
    uint32 sz1;         /* Bit Size */
    uint32 sz8;         /* Byte Size */
    uint32 szw;         /* Word Count */
    bnint *dat;         /* Data Array */
    uint32 flags;       /* Operational Flags */
  };

该函数在我的源代码中从第 300 行开始。因此，当我尝试编译/制作它时，出现以下错误:

system:/home/user/c/m3/bn 1036 $$$ ->make
clang -I. -I/home/user/c/m3/bn/.. -I/home/user/c/m3/bn/../include  -std=c99 -pedantic -Wall -Wextra -Wshadow -Wpointer-arith -Wcast-align -Wstrict-prototypes  -Wmissing-prototypes -Wnested-externs -Wwrite-strings -Wfloat-equal  -Winline -Wunknown-pragmas -Wundef -Wendif-labels  -c /home/user/c/m3/bn/bn.c
/home/user/c/m3/bn/bn.c:302:12: warning: unused variable 'q' [-Wunused-variable]
    uint32 q, m;        /* Division Result */
           ^
/home/user/c/m3/bn/bn.c:302:15: warning: unused variable 'm' [-Wunused-variable]
    uint32 q, m;        /* Division Result */
              ^
/home/user/c/m3/bn/bn.c:303:12: warning: unused variable 'i' [-Wunused-variable]
    uint32 i;           /* Loop Counter */
           ^
/home/user/c/m3/bn/bn.c:304:12: warning: unused variable 'j' [-Wunused-variable]
    uint32 j;           /* Loop Counter */
           ^
/home/user/c/m3/bn/bn.c:320:14: error: unknown token in expression
    __asm__ ("movl %eax, (bn1->dat[i])");
             ^
<inline asm>:1:18: note: instantiated into assembly here
        movl %eax, (bn1->dat[i])
                        ^
/home/user/c/m3/bn/bn.c:322:14: error: unknown token in expression
    __asm__ ("divl (bn2->dat[j])");
             ^
<inline asm>:1:12: note: instantiated into assembly here
        divl (bn2->dat[j])
                  ^
4 warnings and 2 errors generated.
*** [bn.o] Error code 1

Stop in /home/user/c/m3/bn.
system:/home/user/c/m3/bn 1037 $$$ ->

我所知道的:

我认为自己相当精通 x86 汇编程序(从我上面编写的代码可以看出)。然而，我最后一次混合使用高级语言和汇编程序是在大约 15-20 年前使用 Borland Pascal 编写游戏图形驱动程序时(Windows 95 之前的时代)。我熟悉的是英特尔语法。

我不知道的:

如何从 asm 访问 bn_t 的成员(尤其是 *dat)？因为 *dat 是指向 uint32 的指针，所以我将元素作为数组访问(例如 bn1->dat[i])。

如何访问在堆栈上声明的局部变量？

我正在使用 push/pop 将被破坏的寄存器恢复到它们以前的值，以免扰乱编译器。但是，我还需要在局部变量中包含 volatile 关键字吗？

或者，有没有我不知道的更好的方法？我不想将它放在一个单独的函数调用中，因为调用开销是因为这个函数对性能至关重要。

附加:

现在，我才刚刚开始编写这个函数，所以还没有完成。缺少循环和其他此类支持/粘合代码。但是，主要要点是访问局部变量/结构元素。

编辑 1:

我使用的语法似乎是 clang 唯一支持的语法。我尝试了以下代码，但 clang 给了我各种各样的错误:

__asm__ ("pushl %%eax",
    "pushl %%edx",
    "pushf",
    "movl (bn1->dat[i]), %%eax",
    "xorl %%edx, %%edx",
    "divl ($0x0c + bn2 + j)",
    "movl %%eax, (q)",
    "movl %%edx, (m)",
    "popf",
    "popl %%edx",
    "popl %%eax"
    );

它要我在第一行放一个右括号，代替逗号。我改用 %% 而不是 %，因为我在某处读到内联汇编需要 %% 来表示 CPU 寄存器，而 clang 告诉我我使用了无效的转义序列。

Answer 1

如果你只需要 32b/32b => 32 位除法，让编译器使用 div 的两个输出，gcc、clang 和 icc 都可以，因为你可以在 Godbolt compiler explorer 上看到:

uint32_t q = bn1->dat[i] / bn2->dat[j];
uint32_t m = bn1->dat[i] % bn2->dat[j];

编译器非常擅长 CSE将其合并到一个 div 中。只要确保您没有将除法结果存储在 gcc 无法证明不会影响余数输入的地方。

例如*m = dat[i]/dat[j] 可能重叠(别名)dat[i] 或 dat[j]，所以 gcc将不得不重新加载操作数并为 % 操作重做 div。请参阅 godbolt 链接以了解坏/好示例。

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对 32bit/32bit = 32bit div 使用内联 asm 不会给你带来任何好处，而且实际上会用 clang 生成更糟糕的代码(参见 godbolt 链接)。

如果您需要 64 位/32 位 = 32 位，您可能需要 asm，但是，如果没有内置的编译器。 (GNU C 没有，AFAICT)。 C 中显而易见的方法(将操作数转换为 uint64_t)生成对 64bit/64bit = 64bit libgcc 函数的调用，该函数具有分支和多个 div 指令。 gcc 不擅长证明结果适合 32 位，因此单个 div 指令不会导致 #DE。

对于许多其他指令，您可以很多避免使用builtin functions for things like popcount 编写内联汇编.使用 -mpopcnt，它编译为 popcnt 指令(并解释了 Intel CPU 对输出操作数的错误依赖。)没有，它编译为 libgcc 函数打电话。

总是喜欢编译成好的 asm 的内置函数或纯 C，这样编译器就知道代码做了什么。当内联使某些参数在编译时已知时，纯 C 可以是 optimized away or simplified ，但是使用内联 asm 的代码只会将常量加载到寄存器中并在运行时执行 div。内联 asm 在对相同数据进行类似计算时也击败了 CSE，当然也不能自动向量化。

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正确使用 GNU C 语法

https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Extended-Asm.html解释了如何告诉汇编程序您需要寄存器中的哪些变量，以及输出是什么。

You can use Intel/MASM-like syntax and mnemonics, and non-% register names if you like ，最好使用 -masm=intel 进行编译。 AT&T 语法错误 ( fsub and fsubr mnemonics are reversed ) 可能仍然存在于英特尔语法模式中；我忘记了。

大多数使用 GNU C 内联汇编的软件项目仅使用 AT&T 语法。

另见 the bottom of this answer有关更多 GNU C 内联汇编信息，以及 x86标记维基。

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asm 语句采用一个 字符串参数和 3 组约束。使其成为多行的最简单方法是使每个 asm 行成为一个以 \n 结尾的单独字符串，并让编译器隐式连接它们。

此外，您还可以告诉编译器您想要将内容存入哪个寄存器。这样，如果变量已经在寄存器中，编译器就不必溢出它们并让您加载和存储它们。这样做真的会搬起石头砸自己的脚。 tutorial评论中链接的 Brett Hale 希望涵盖所有这一切。

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使用 GNU C 内联汇编的 div 的正确示例

您可以在 godbolt 上看到编译器 asm 输出.

uint32_t q, m;  // this is unsigned int on every compiler that supports x86 inline asm with this syntax, but not when writing portable code.

asm ("divl %[bn2dat_j]\n"
      : "=a" (q), "=d" (m) // results are in eax, edx registers
      : "d" (0),           // zero edx for us, please
        "a" (bn1->dat[i]), // "a" means EAX / RAX
        [bn2dat_j] "mr" (bn2->dat[j]) // register or memory, compiler chooses which is more efficient
      : // no register clobbers, and we don't read/write "memory" other than operands
    );

"divl %4" 也可以工作，但是当您添加更多输入/输出约束时，命名的输入/输出不会更改名称。