程序的机器级表示-跳转

2019-04-28 本文已影响0人 Teech

条件码

除了整数寄存器，cpu还维护着一组单个条件码的寄存器，他们用来描述最近算术和逻辑操作的属性。可以检测这些寄存器来执行分支指令。常见的条件码有：
CF:进位标志。最近的操作产生了最高位产生了进位，可以检查无符号数操作的溢出。
ZF:0标志，最近操作结果为0.
SF:符号标志。最近的操作结果得到了负数。
OF：最近的操作产生了补码溢出（正溢出或者负溢出）
可以举例子说明比如一条ADD指令 t = a + b。
(unsigned)t < (unsigned)a 得出无符号整数加法溢出了 CF设置了
t = 0 得出 ZF标志设置产生0了
t < 0 得出 SF标志设置操作结果得到负数
(a < 0 == b<0) AND (t < 0 != a<0) 可以得出产生了溢出设置OF。
证明下这个表达式当产生溢出的时候肯定都是a，b同符号。分两种情况。

当a > 0,b>0 如果产生溢出，那么 t <= 0
2.当a< 0,b<0 如果负溢出，那么 t >=0
表达式拆分后刚好是这两种情况。
leaq指令不改变条件码，因为是进行地址计算的（这里只能记住就这样了）。其他指令会修改条件码。
xor指令，CF标志和OF标志都会被设置，移位操作，进位标志被设置成最后一个被移出的位，溢出操作被设置成0。INC和DEC指令会设置OF标志和ZF标志不会改变CF标志。
除了上述这些指令还有两类指令CMP和TEST指令只改变条件不改变其他寄存器。

CMP $S_1$ , $S_2$ 基于 $S_2$ - $S_1$ 比较
TEST $S_1$ , $S_2$ 基于 $S_1$ & $S_2$ 测试
CMP指令和SUB行为一样的，如果两个数相等ZF会设置成1，其他标志可以确定两个操作数之间的大小关系。
TEST指的行为和AND指令一样。常用的用法是 testq %rax,%rax来检查%rax是否是负数，零还是正数。或者一个操作码位掩码来指示那些位需要被测试。

访问条件码

条件码一般不会直接被读取，具体应用的形式

根据条件码的某种组合，把一个字节设置成0或者1。比如SET指令的应用。

   int c = a > b;
   反汇编后的结果： 
   cmp    -0x8(%rbp),%eax #比较 a > b
   setg   %al                        #如果大于的话 设置%al为1 否则设置0
   movzbl %al,%eax           #拓展字节到双字

setl 表示 $<$ $\Leftrightarrow$ 无溢出负数SF&~OF 或者负溢出结果为正数~SF&OF。合并两个表达式SF^OF.
setle 表示 $\leq$ $\Leftrightarrow$ (SF^OF) | ZF
setg以及setge分别对上面的表达式取反即可。

跳转指令编码

跳转指令一般都是相对pc指针的编码的。

if(a > 0)
  a= a +1;
反汇编结果如下：
83 7d fc 00             cmpl   $0x0,-0x4(%rbp)
7e 04                   jle    e <main+0xe>
83 45 fc 01             addl   $0x1,-0x4(%rbp)
第二行的7e 04 7e表示jle指令，04表示pc指针+4，不难看出第三行指令占用了4个字节，所以刚好跳转到下一条指令。这段目标代码可以不做改变就可以移动到内存的任意位置。

用条件控制来实现分支

将c语言的表达式翻译成汇编，最常见的方式是结合有条件和无条件跳转。

c语言中 if-else 通用模板为
if (test-exp)
  then-statement
else
  else-statement
对于这种形式，汇编实现往往会用这种形式
  t = test-exp
  if (!t)
    goto false;
  then-statement
  goto done;
false:
  else-statement
done:

用条件传送实现条件分支

实现条件操作的传统方法是使用控制的条件转移，当条件满足时沿一条执行路径走，不满足时沿另一条路径走。这种方式很低效。一种替代策略是使用“数据的条件转移”，这种方法计算条件操作的两个结果，在根据条件选择其中一个。

long absdiff(long x,long y){ 
    long result;
    if(x<y)
        result = y-x;
    else
        result = x-y;
    return result;
}
选择O0去编译得到结果
48 89 7d e8             mov    %rdi,-0x18(%rbp)
48 89 75 e0             mov    %rsi,-0x20(%rbp)
48 8b 45 e8             mov    -0x18(%rbp),%rax
48 3b 45 e0             cmp    -0x20(%rbp),%rax
7d 0e                   jge    24 <absdiff+0x24>
48 8b 45 e0             mov    -0x20(%rbp),%rax
48 2b 45 e8             sub    -0x18(%rbp),%rax
48 89 45 f8             mov    %rax,-0x8(%rbp)
eb 0c                   jmp    30 <absdiff+0x30>
48 8b 45 e8             mov    -0x18(%rbp),%rax
48 2b 45 e0             sub    -0x20(%rbp),%rax
48 89 45 f8             mov    %rax,-0x8(%rbp)

选择O1去编译得到的结果
48 89 f2                mov    %rsi,%rdx
48 29 fa                sub    %rdi,%rdx
48 89 f8                mov    %rdi,%rax
48 29 f0                sub    %rsi,%rax
48 39 f7                cmp    %rsi,%rdi
48 0f 4c c2             cmovl  %rdx,%rax

可以观察到O0没有优化，是根据条件转移来控制分支的，O1下优化后，通过条件传送来实现分支的。
这么优化可以带来性能的提成，除了上述指令条数减少外。其实在cpu内部指令并不是串行的，而是每个阶段执行所需操作的一部分，这种重叠指令的方式来获取性能的提升。比如取一条指令的同时计算前面一条指令的算术运算。所以需要流水线里充满待执行的指令序列。当遇到条件跳转时，需要先获取值然后在能决定往哪里跳转。处理器会猜测一个方向，只要猜测可靠，那么流水线里就会充满指令。错误的预测会丢掉之前的工作，然后重新从开始正确的位置开始填充流水线，一个错误预测会有15到30个的时钟周期惩罚。
使用条件传送，可以保证流水线里充满着指令
用条件传送法编译出来的抽象代码描述
v = then-state
ve = else-state
t = test-exp
if(!t)
  v = ve

程序的机器级表示-跳转

条件码

访问条件码

跳转指令编码

用条件控制来实现分支

用条件传送实现条件分支

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