GCC Inline Assembly

GCC Inline Assembly — Встроенный ассемблер компилятора GCC, представляющий собой язык макроописания интерфейса компилируемого высокоуровневого кода с ассемблерной вставкой.

Синтаксис и семантика GCC Inline Assembly имеет следующие существенные отличия:

• GCC никак не интерпретирует содержимое ассемблерной вставки.
• Служит явное описание интерфейса с ассемблерной вставкой.
• Даёт компилятору возможность свободы выбора регистров.
• Позволяет явно указать на имеющиеся побочные действия ассемблерного кода.
• Позволяет использовать все инструкции (и директивы тоже) которые распознает ассемблер, а не только те, что знает и применяет gcc

Для понимания работы GCC Inline Assembly, следует хорошо понимать действия, выполняемые в процессе компиляции.

В начале gcc вызывает препроцессор cpp, который включает заголовочные файлы, разворачивает все условные директивы и выполняет макроподстановки. Посмотреть, что получилось после макроподстановки, можно командой gcc -E -o preprocessed.c some_file.c. Ключ -E редко используется, в основном когда вы занимаетесь отладкой макросов.

Затем gcc анализирует полученный код, на этой же фазе производит оптимизацию кода и в итоге производит ассемблерный код. Увидеть сгенерированный ассемблерный код можно командой gcc -S -o some_file.S some_file.c.

Затем gcc вызывает ассемблер gas для того, чтобы он создал из ассемблерного кода объектный код. Обычно ключ -c (compile only) используется в проектах, состоящих из многих файлов.

Затем gcc вызывает компоновщик ld для сборки исполняемого файла из полученных объектных файлов.

Для иллюстрации данного процесса создадим файл test.c следующего содержания:

int main()
 {
 asm ("Bla-Bla-Bla"); // вставим такую инструкцию
 return 0;
 }

Если при компиляции выдается предупреждение -Wimplicit-function-declaration "Неявная декларация функции asm", используйте:

 __asm__ ("Bla-Bla-Bla");

Если мы скажем выполнить gcc -S -o test.S test.c, то мы обнаружим важный факт: компилятор обработал «неправильную» инструкцию и результирующий ассемблерный файл test.S содержит нашу строку «Bla-Bla-Bla». Однако, если мы попробуем создать объектный код или собрать бинарный файл, то gcc выведет следующее:

test.c: Assembler messages: test.c:3: Error: no such instruction: 'Bla-Bla-Bla'

Сообщение исходит именно от Ассемблера.

Отсюда следует важный вывод: GCC никак не интерпретирует содержимое ассемблерной вставки, воспринимая её как макроподстановку времени компиляции.

Общая структура ассемблерной вставки выглядит следующим образом:

asm [volatile] («команды и директивы ассемблера» : выходные параметры : входные параметры : изменяемые параметры);

впрочем, существует и более короткая форма:

asm [volatile] («команды ассемблера»);

Особенностью ассемблера gas и компилятора gcc является тот факт, что они используют непривычный для x86 синтаксис AT&T, который существенно отличается от синтаксиса Intel. Основные отличия^[1]:

1. Порядок операндов: Операция Источник,Приёмник.
2. Названия регистров имеют явный префикс %, указывающий, что это регистр. Это позволяет работать с переменными, которые имеют то же название, что и какой-либо регистр, что невозможно в Intel-синтаксисе, у которого префиксы для регистров не используются, а их названия являются зарезервированными ключевыми словами.
3. Явное задание размеров операндов в суффиксах команд: b-byte, w-word, l-long, q-quadword. В командах типа movl %edx,%eax это может показаться излишним, однако является весьма наглядным средством, когда речь идёт о incl (%esi) или xorw $0x7,mask
4. Названия констант начинаются с $ и могут быть выражением. Например movl $1,%eax
5. Значение без префикса означает адрес. Например:
   movl $123,%eax — записать в %eax число 123,
   movl 123,%eax — записать в %eax содержимое ячейки памяти с адресом 123,
   movl var,%eax — записать в %eax значение переменной var,
   movl $var,%eax — загрузить адрес переменной var
6. Для косвенной адресации необходимо использовать круглые скобки. Например movl (%ebx),%eax — загрузить в %eax значение переменной по адресу, находящемуся в регистре %ebx
7. SIB-адресация: смещение (база, индекс, множитель)

Обычно пренебрегаемый факт того, что внутри директивы asm могут находиться не просто ассемблерные команды, но и вообще любые директивы, распознаваемые gas, может сослужить хорошую службу. Например, можно вставить содержимое двоичного файла в итоговый объектный код:

 asm(
  "our_data_file:\n\t"
  ".incbin \"some_bin_file.txt\"\n\t" // используем директиву .incbin
  "our_data_file_len:\n\t"
  ".long .-our_data_file\n\t"  // вставляем значение .long с вычисленной длиной файла
  );

И затем адресоваться к этому бинарному файлу:

extern char our_data_file[];
extern long our_data_file_len;

Рассмотрим, как происходит подстановка.

Конструкция:

asm ("movl %0,%%eax"::"i"(1));

Превратится в

movl $1,%eax

Ключевое слово volatile служит для того чтобы указать компилятору, что вставляемый ассемблерный код может давать побочные эффекты, поэтому попытки оптимизации могут привести к логическим ошибкам.

Случаи, когда ключевое слово volatile ставить обязательно:

Допустим, внутри цикла имеется ассемблерная вставка, производящая проверку на занятость глобальной переменной и ожидания в спинлоке её освобождения. Когда компилятор начинает оптимизировать цикл, он выкидывает из цикла всё, что явным образом в цикле не изменяется. Поскольку в этом случае оптимизирующий компилятор не видит явной зависимости между параметрами ассемблерной вставки и переменными, изменяющимися в цикле, ассемблерная вставка может быть выкинута из цикла со всеми вытекающими последствиями.

СОВЕТ: Всегда указывайте asm volatile в тех случаях, когда ваша ассемблерная вставка должна «стоять там, где стоит». Особенно это касается тех случаев, когда вы работаете с атомарными примитивами.

Следующий «тонкий момент» — явное указание «memory» в clobber list. Помимо простого указания компилятору, что ассемблерная вставка изменяет содержимое памяти, она ещё служит директивой Memory Barrier для компилятора. Это означает, что те операции обращений в память, которые стоят выше по коду, в результирующем машинном коде будут выполняться до тех, которые стоят ниже ассемблерной вставки. В случае многопоточной среды, когда от этого напрямую зависит риск возникновения race condition, это обстоятельство является существенным.

СОВЕТ № 1:

Быстрый способ сделать Memory Barrier

#define mbarrier() asm volatile ("":::"memory")

СОВЕТ № 2: Указание «memory» в clobber list не только «хороший тон», но и в случае работы с атомарными операциями, призванными разрулить race condition, является обязательным.

int main()
{
  int sum = 0, x = 1, y = 2;
  asm ( "add %1, %0" : "=r" (sum) : "r" (x), "0" (y) ); // sum = x + y;
  printf("sum = %d, x = %d, y = %d", sum, x, y); // sum = 3, x = 1, y = 2
  return 0;
}

• код: добавить %1 к %0 и сохранить результат в %0
• выходные параметры: универсальный регистр, сохранённый в локальную переменную, после выполнения ассемблерного кода.
• входные параметры: универсальные регистры, инициализированные от локальных переменных x и y перед выполнением ассемблерного кода.
• изменяемые параметры: ничего, кроме регистров ввода-вывода.

• Официальная документация (Using the GNU Compiler Collection (GCC) - 6 Extensions to the C Language Family - 6.45 How to Use Inline Assembly Language in C Code)  (англ.)