程序的機(jī)器級(jí)表示--條件碼

條件碼

條件碼表

leap（地址加載）指令不改變?nèi)魏螚l件碼，用來進(jìn)行地址計(jì)算。

運(yùn)算指令改變寄存器同時(shí)也會(huì)設(shè)置條件碼。

例如：

1. XOR,進(jìn)位與溢出標(biāo)志會(huì)設(shè)置成0。

2. 移位操作會(huì)將進(jìn)位標(biāo)志設(shè)置為最后一個(gè)被移出的位，而溢出標(biāo)志設(shè)為0。

3. INC和DEC指令會(huì)設(shè)置溢出和零標(biāo)志，但是不會(huì)改變進(jìn)位標(biāo)志。

比較與測試指令

上表中的兩類指令（8，16，24，36位形式）只設(shè)置條件碼，不改變?nèi)魏渭拇嫫鳌＠鏑MP指令是通過兩個(gè)操作數(shù)之差來設(shè)置條件碼，除了不更新寄存器之外CMP的操作與Sub的操作是一樣的，而Test與And指令是一樣的。

條件碼的訪問與使用

使用方法有三種：

1. 根據(jù)條件碼的某種組合，將一個(gè)字節(jié)設(shè)置位0或1（SET指令）。SET指令的目的操作數(shù)是低位單字節(jié)寄存器元素，或是一個(gè)字節(jié)的內(nèi)存位置，指令將其設(shè)置０或１，同時(shí)對(duì)高位清零。

   指令	同義名	效果	設(shè)置條件
   sete D	setz	D<-ZF	相等/零
   setne D	setnz	D <- ~ZF	不等/非零
   sets D		D <- SF	負(fù)數(shù)
   setns D		D <- ~SF	非負(fù)數(shù)
   setg D	setnle	D <- ~(SF ^ OF)&~ZF	大于（有符號(hào)>）
   setge D	setnl	D <- ~(SF^OF)	大于等于（有符號(hào)>=）
   setl D	setnge	D <- SF^OF	小于（有符號(hào)<）
   setle D	setng	D <- (SF^OF)|ZF	小等于（有符號(hào)<=）
   seta D	setnbe	D <- CF&ZF	超過（無符號(hào)>）
   setae D	setnb	D <- ~CF	超過或相等（無符號(hào)>=）
   setb D	setnae	D <- CF	低于（無符號(hào)<）
   setbe D	setna	D <- CF|ZF	低于或相等（無符號(hào)<=）

   set指令的操作流程：

   1. 執(zhí)行比較指令
   2. 根據(jù)計(jì)算t=a-b設(shè)置

int comp(data_t a,data_t b)
a in %rdi, b in %rsi
comp:
    cmpq    %rsi, %rdi    Compare a ：b
    setl    %al           Set Low-order byte of %eax to 0 or 1
    movezbl %al, %eax     Clear rest of %eax(and rest of %rax)
    ret

同c語言不同，機(jī)器代碼不會(huì)將每個(gè)程序值都和一個(gè)數(shù)據(jù)類型聯(lián)系起來。機(jī)器代碼大部分對(duì)有符號(hào)和無符號(hào)的兩種情況使用一樣的指令。

2. 跳轉(zhuǎn)到某部分代碼

3. 有條件的傳送數(shù)據(jù)

程序的跳轉(zhuǎn)

正常程序是順序執(zhí)行，但是跳轉(zhuǎn)指令會(huì)跳轉(zhuǎn)另一段代碼的位置。類似c語言里面的goto，跳轉(zhuǎn)后的位置會(huì)用label指明。

跳轉(zhuǎn)主要分：

1. 直接跳轉(zhuǎn)：跳轉(zhuǎn)目標(biāo)是作為指令的一部分編碼的。
2. 間接跳轉(zhuǎn)：跳轉(zhuǎn)目標(biāo)是從內(nèi)存或者寄存器中讀出的。間接跳轉(zhuǎn)的寫法是*后面跟一個(gè)操作指示符，例如jmp*%rax就是從rax寄存器中的內(nèi)容作為跳轉(zhuǎn)目標(biāo)，jmp *（%rax）即以%rax中的值作為讀地址，從內(nèi)存中讀出跳轉(zhuǎn)目標(biāo)。

jmp指令集

上表中的跳轉(zhuǎn)指令都是有條件的--它們根據(jù)條件碼的組合，或者跳轉(zhuǎn)，或者繼續(xù)執(zhí)行代碼序列中下一跳指令。條件跳轉(zhuǎn)只能是直接跳轉(zhuǎn)。

跳轉(zhuǎn)指令的編碼分為PC絕對(duì)與PC相對(duì)。

PC相對(duì)：目標(biāo)指令與緊跟在跳轉(zhuǎn)指令后面那條指令的地址之間的差作為編碼。

0: 48 89 f8    mov   %rdi,%rax
3: eb 03       jmp   8 <loop+0x8>
5: 48 d1 f8    sar   %rax
8: 48 85 c0    test  %rax, %rax
b: 7f f8       jg    5 <loop+0x5>
d: f3 c3       repz retq


movq   %rdi,%rax
jmp    .L2
.L3:
sarq   %rax
.L2:
testq  %rax
jg     .L3
rep;ret

第2行下一條指令的位置是5，相對(duì)位置是3，5+3=8，即跳轉(zhuǎn)到8的位置上。

rep與repz除了在AMD上運(yùn)行的更壞之外，不會(huì)改變代碼的其他行為，不用管。

PC絕對(duì)：用4個(gè)字節(jié)直接指定目標(biāo)。

條件分支

條件表達(dá)式和語句從c語言翻譯成機(jī)器代碼，最常用的是結(jié)合有條件和無條件跳轉(zhuǎn)。條件跳轉(zhuǎn)主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：

1. 控制的條件轉(zhuǎn)移
2. 數(shù)據(jù)的條件轉(zhuǎn)移

控制的條件轉(zhuǎn)移

c語言里面的if-else語句如下：

if (condition)
    then-statement;
else
    else-statement;

翻譯成匯編會(huì)先上面語句轉(zhuǎn)換成以下形式：

t = condition;
if (!t)
    goto false;
then-statement;
goto done;

false:
    else-statement;
done:

再轉(zhuǎn)換為匯編形式。

舉個(gè)例子：

c版本：

long func(long x,long y){
    long result;
    if (x < y)
        result = y - x;
    else{
        result = x - y;
    }
    return result;
}

轉(zhuǎn)換后的版本：

long func(long x, long y){
    long result;
    if (x >= y)
        goto x_ge_y;
    result = y - x;
    return result;
x_ge_y:
    result = x - y;
    return result;
}

匯編版本：

long func(long x, long y)
x in %rdi, y in %rsi
func:
    cmpq %rsi,%rdi 
    jge .L2
    movq %rsi, %rax
    subq %rdi, %rax
    ret
.L2
    movq %rdi, %rax
    subq %rsi, %rax
    ret

數(shù)據(jù)的條件分支

處理器通過流水線獲取高性能，一條指令要經(jīng)過一些列階段，每個(gè)階段執(zhí)行所需操作的一部分（例如，從內(nèi)存中取指令，確定指令類型，從旁那個(gè)內(nèi)存讀數(shù)據(jù)，執(zhí)行算數(shù)運(yùn)算，想內(nèi)存寫數(shù)據(jù)，以及更新程序計(jì)數(shù)器）。這種方法通過重疊連續(xù)指令的步驟來獲取高性能，例如，在取一條指令的同時(shí)，執(zhí)行前一條指令的計(jì)算。處理器需要事先確定要執(zhí)行的指令序列才能使流水線中保持充滿待執(zhí)行的指令。當(dāng)遇到調(diào)制分支的時(shí)候，只要分支條件求知完成后才能決定分支的走向。現(xiàn)代處理器采用非常精密的分支預(yù)測邏輯來預(yù)測走向，但是只要預(yù)測錯(cuò)誤就得丟棄為預(yù)測的指令所準(zhǔn)備的工作，再從正確的位置重新加載，這樣一個(gè)錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致程序性能嚴(yán)重下降。只要控制流不依賴數(shù)據(jù)，才能使流水線一直是滿的。
下表列舉了一些可用的條件傳送指令。每個(gè)指令有兩個(gè)操作數(shù)：源寄存器或者內(nèi)存地址S，和目的寄存器R。指令的結(jié)果取決于條件碼的值，只有在條件滿足的時(shí)候，源寄存器的值才會(huì)被復(fù)制到目的寄存器中。

同條件跳轉(zhuǎn)不同，數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)無需預(yù)測測試的結(jié)果就可以執(zhí)行條件傳送。

1. 處理器只是讀源值（可能從內(nèi)存）
2. 檢查條件碼
3. 要么更新目的寄存器，要么不變

數(shù)據(jù)傳送表達(dá)式v = a ? b : c會(huì)被轉(zhuǎn)換為類似以下表達(dá)式：

v = then-statement;
ve = else-statement;
t = condition;
if (!t) v = ve;

但是條件數(shù)據(jù)傳送也不是萬能的，上面兩條語句只要一條產(chǎn)生panic就會(huì)導(dǎo)致程序崩潰。并且也不總是提高代碼的效率，比如上述兩個(gè)表達(dá)式計(jì)算量比較大的時(shí)候，條件不滿足就白計(jì)算了，甚至代價(jià)比預(yù)測錯(cuò)分支還大，條件數(shù)據(jù)傳送還是比較受限制的情況下好用。

循環(huán)

循環(huán)主要基于兩種形式：

1. do-while循環(huán)。
2. while循環(huán)（while內(nèi)部也有以下兩種寫法）
   1. while
   2. for

do-while循環(huán)

do-while的通用寫法如下：

do
    body
    while(condition)

翻譯成偽代碼就是以下形式：

loop:
    body;
    t = condition;
    if (t)
        goto loop;

舉個(gè)例子，有以下c函數(shù)：

long func(long n){
    long result = 1;
    do{
        result *= n;
        n--;
    }while(n > 1);
    return result;
}

翻譯成等價(jià)無條件跳轉(zhuǎn)＋有條件跳轉(zhuǎn)的形式：

long func(long n){
    long result = 1;
loop:
    result *= n;
    n--;
    if (n > 1)
        goto loop;
    return result;
}

轉(zhuǎn)換成匯編：

long func(long n)
n in %rdi
fact_do:
    movl  $1, %eax
.L2:
    imuq  %rdi, %rax
    subq  $1, %rdi
    cmpq  $1, %rdi
    jg .L2
    rep;ret

while循環(huán)

通用形式如下：

while(condition)
    body;

轉(zhuǎn)換后形式如下：

    goto test;
loop:
    body;
test:
    t = condition;
    if (t)
        goto loop;

可以看到與do-while不同的是，第一次條件判斷如果沒通過，程序就直接跳出循環(huán)。

用do-while循環(huán)同一個(gè)例子舉例。

c形式：

long func(long n){
    long result = 1;
    while(n > 1);{
        result *= n;
        n--;
    }
    return result;
}

翻譯成goto后的形式：

long func(long n){
    long result = 1;
    goto test;
loop:
    result *= n;
    n--;
test:
    if (n > 1)
        goto loop;
    return result;
}

轉(zhuǎn)換為匯編的形式：

long func(long n)
n in %rdi
fact_while:
    movl  $1, %eax
    jmp .L5
.L6:
    imuq  %rdi, %rax
    subq  $1, %rdi
.L5:
    cmpq  $1, %rdi
    jg .L2
    rep;ret

還有一種翻譯方法，當(dāng)gcc使用o1優(yōu)化等級(jí)的時(shí)候，會(huì)先轉(zhuǎn)換成do-while的形式再轉(zhuǎn)成匯編：

long func(long n){
    long result = 1;
    if(n <= 1)
        goto done;
loop:
    result *= n;
    n--;
    if (n != 1)
        goto loop;
done:
    return result;
}

匯編版本：

long func(long n)
n in %rdi
fact_while:
    cmpq  $1, %rdi
    jle   .L7
    movl  $1, %eax
.L6:
    imuq  %rdi, %rax
    subq  $1, %rdi
    cmpq  $1, %rdi
    jne   .L6
    rep;ret
.L7:
    movl  $1, %eax
    rep;ret

for循環(huán)

for循環(huán)其實(shí)是while的一種翻譯形式，拿上面的例子舉例：

long func(long n){
    long i;
    long result = 1;
    for(i = 2;i <= n;i++){
        result *= i;
    }
    return result;
}

翻譯成while后的形式：

long func(long n){
    long i = 2;
    long result = 1;
    while(i <= n);{
        result *= i;
        i++;
    }
    return result;
}