知識星球轉載自：Linuxer公眾號
作者：byeyear
有時候我們希望在C/C++程式碼中使用嵌入式彙編，因為C中沒有對應的函式或語法可用。比如我最近在ARM上寫FIR程式時，需要對最後的結果進行飽和處理，但gcc沒有提供ssat這樣的函式，於是不得不在C程式碼中嵌入彙編指令。
1. 入門
在C中嵌入彙編的最大問題是如何將C語言變數與指令運算元相關聯。當然，gcc都幫我們想好了。下麵是是一個簡單例子。
asm(“fsinx %1, %0”:”=f”(result):”f”(angle));
這裡我們不需要關註fsinx指令是乾啥的；只需要知道這條指令需要兩個浮點暫存器作為運算元。作為專職處理C語言的gcc編譯器，它是沒辦法知道fsinx這條彙編指令需要什麼樣的運算元的，這就要求程式猿告知gcc相關資訊，方法就是指令後面的”=f”和”f”，表示這是兩個浮點暫存器運算元。這被稱為運算元規則（constraint）。規則前面加上”=”表示這是一個輸出運算元，否則是輸入運算元。constraint後面括號內的是與該暫存器關聯的變數。這樣gcc就知道如何將這條嵌入式彙編陳述句轉成實際的彙編指令了：
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fsinx：彙編指令名
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%1, %0：彙編指令運算元
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“=f”(result)：運算元%0是一個浮點暫存器，與變數result關聯（對輸出運算元，“關聯”的意思就是說gcc執行完這條彙編指令後會把暫存器%0的內容送到變數result中）
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“f”(angle)：運算元%1是一個浮點暫存器，與變數angle關聯（對輸入運算元，“關聯”的意思是就是說gcc執行這條彙編指令前會先將變數angle的值讀取到暫存器%1中）
因此這條嵌入式彙編會轉換為至少三條彙編指令（非最佳化）：
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將angle變數的值載入到暫存器%1
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fsinx彙編指令，源暫存器%1，標的暫存器%0
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將暫存器%0的值儲存到變數result
當然，在高最佳化級別下上面的敘述可能不適用；比如源運算元可能本來就已經在某個浮點暫存器中了。
這裡我們也看到constraint前加”=”符號的意義：gcc需要知道這個運算元是在執行嵌入彙編前從變數載入到暫存器，還是在執行後從暫存器儲存到變數中。
常用的constraints有以下幾個（更多細節參見gcc手冊）：
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m 記憶體運算元
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r 暫存器運算元
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i 立即數運算元（整數）
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f 浮點暫存器運算元
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F 立即數運算元（浮點）
從這個慄子也可以看出嵌入式彙編的基本格式：
asm(“彙編指令”:”=輸出運算元規則”(關聯變數):”輸入運算元規則”(關聯變數));
輸出運算元必須為左值；這個顯然。
2. 多個運算元，或沒有輸出運算元
如果某個指令有多個輸入或輸出運算元怎麼辦？例如arm有很多指令是三運算元指令。這個時候用逗號分隔多個規則：
asm(“add %0, %1, %2”:”=r”(sum):”r”(a), “r”(b));
每條運算元規則按順序對應運算元%0, %1, %2。
對於沒有輸出運算元的情況，在彙編指令後就沒有輸出規則，於是就出現兩個連續冒號，後跟輸入規則。
3. 輸入-輸出（或讀-寫）運算元
有時候一個運算元既是輸入又是輸出，比如x86下的這條指令：
add %eax, %ebx
註意指令使用AT&T;格式而不是Intel格式。暫存器ebx同時作為輸入運算元和輸出運算元。對這樣的運算元，在規則前使用”+”字元：
asm(“add %1, %0” : “+r”(a) : “r”(b));
對應C語言陳述句a=a+b。
註意這樣的運算元不能使用”=”符號，因為gcc看到”=”符號會認為這是一個單輸出運算元，於是在將嵌入彙編轉換為真正彙編的時候就不會預先將變數a的值載入到暫存器%0中。
另一個辦法是將讀-寫運算元在邏輯上拆分為兩個運算元：
asm(“add %2, %0” : “=r”(a) : “0”(a), “r”(b));
對“邏輯”輸入運算元1指定數字規則”0”，表示這個邏輯運算元佔用和運算元0一樣的“位置”（佔用同一個暫存器）。這種方法的特點是可以將兩個“邏輯”運算元關聯到兩個不同的C語言變數上：
asm(“add %2, %0” : “=r”(c) : “0”(a), “r”(b));
對應於C程式陳述句c=a+b。
數字規則僅能用於輸入運算元，且必須取用到輸出運算元。拿上例來說，數字規則”0”位於輸入規則段，且取用到輸出運算元0，該數字規則自身佔用運算元計數1。
這裡要註意，透過同名C語言變數是無法保證兩個運算元佔用同一“位置”的。比如下麵這樣的寫法是不行的:
（錯誤寫法）asm(“add %2, %0”:”=r”(a):”r”(a), “r”(b));
4. 指定暫存器
有時候我們需要在指令中使用指定的暫存器；典型的慄子是系統呼叫，必須將系統呼叫碼和引數放在指定暫存器中。為了達到這個目的，我們要在宣告變數時使用擴充套件語法：
register int a asm(“%eax”) = 1; // statement 1
register int b asm(“%ebx”) = 2; // statement 2
asm(“add %1, %0” : “+r”(a) : “r”(b)); // statement 3
註意只有在執行彙編指令時能確定a在eax中，b在ebx中，其他時候a和b的存放位置是不可知的。
另外，在這麼用的時候要註意，防止statement 2在執行時改寫了eax。例如statement 2改成下麵這句：
register int b asm(“%ebx”) = func();
函式呼叫約定會將func()的傳回值放在eax裡，於是破壞了statement 1對a的賦值。這個時候可以先用一條陳述句將func傳回值放在臨時變數裡：
int t = func();
register int a asm(“%eax”) = 1; // statement 1
register int b asm(“%ebx”) = t; // statement 2
asm(“add %1, %0” : “+r”(a) : “r”(b)); // statement 3
5. 隱式改變暫存器
有的彙編指令會隱含修改一些不在指令運算元中的暫存器，為了讓gcc知道這個情況，將隱式改變暫存器規則列在輸入規則之後。下麵是VAX機上的慄子：
asm volatile(“movc3 %0,%1,%2”
: /* no outputs */
:”g”(from),”g”(to),”g”(count)
:”r0”,”r1”,”r2”,”r3”,”r4”,”r5”);
（movc3是一條字元塊移動（Move characters）指令）
這裡要註意的是輸入/輸出規則中列出的暫存器不能和隱含改變規則中的暫存器有交叉。比如在上面的慄子裡，規則“g”中就不能包含r0-r5。以指定暫存器語法宣告的變數，所佔用的暫存器也不能和隱含改變規則有交叉。這個應該好理解：隱含改變規則是告訴gcc有額外的暫存器需要照顧，自然不能和輸入/輸出暫存器有交集。
另外，如果你在指令裡顯式指定某個暫存器，那麼這個暫存器也必須列在隱式改變規則之中（有點繞了哈）。上面我們說過gcc自身是不瞭解彙編指令的，所以你在指令中顯式指定的暫存器，對gcc來說是隱式的，因此必須包含在隱式規則之中。另外，指令中的顯式暫存器前需要一個額外的%，比如%%eax。
6. volatile
asm volatile通知gcc你的彙編指令有side effect，千萬不要給最佳化沒了，比如上面的慄子。
如果你的指令只是做些計算，那麼不需要volatile，讓gcc可以最佳化它；除此以外，無腦給每個asm加上volatile或者是個好辦法。
