x86-64 控制 • FancyXGit

条件码

条件码寄存器:

CPU维护一组单个位的寄存器，称为条件码寄存器，包含以下：

CF (Carry Flag): 进位标志
ZF (Zero Flag): 零标志
SF (Sign Flag): 符号标志
OF (Overflow Flag): 溢出标志

设置条件码:

算术指令（如addq, subq）和比较指令（如cmpq，testq）会根据结果设置条件码。

区别在于算数指令会修改目的寄存器的值，而比较指令不会修改任何寄存器的值，只设置条件码。

访问条件码

设置指令:

条件码寄存器不能直接访问，但可以通过设置指令将条件码的值存储到寄存器中：

条件跳转指令:

条件跳转指令根据条件码的值决定是否跳转到指定标签：

条件分支

C语言中的条件分支语句（如if语句）在汇编中通常通过比较指令和条件跳转指令来实现：

if (test-expr)
    then-statement
else
    else-statement

用goto改写以更贴切汇编：

    t = test-expr;
    if (!t)
        goto false;
    then-statement
    goto done;
false:
    else-statement
done:

在汇编中实现：

    # 计算 test-expr 的值并存储在 %rax 中
    cmpq $0, %rax        # 比较 test-expr 的值与 0
    je false              # 如果 test-expr 为 0，跳转到 false 标签
then:
    # 执行 then-statement
    jmp done             # 跳转到 done 标签
false:
    # 执行 else-statement
done:

条件传送:

出于避免分支预测失败的惩罚考虑，有时会同时计算2个分支的值，再通过分支传送指令（如cmov指令）根据条件码选择性地将结果传送到寄存器：

    # 计算 test-expr 的值并存储在 %rax 中
    cmpq $0, %rax        # 比较 test-expr 的值与 0
    movq then-result, %rbx  # 计算 then-statement 的结果
    movq else-result, %rcx  # 计算 else-statement 的结果
    cmovz %rcx, %rbx     # 如果 test-expr 为 0，选择 else-result，否则选择 then-result

循环

C语言中的循环语句（如while语句）在汇编中通常通过标签和条件跳转指令来实现：

do
    body-statement
    while (test-expr);

用goto改写以更贴切汇编：

start:
    body-statement
    t = test-expr;
    if (t)
        goto start;

在汇编中实现：

start:
    # 执行 body-statement
    # 计算 test-expr 的值并存储在 %rax 中
    cmpq $0, %rax        # 比较 test-expr 的值与 0
    jne start             # 如果 test-expr 不为 0，跳转回 start 标签

对while循环和for循环的实现类似，只需调整标签的位置和跳转条件即可，在此不再赘述。

switch语句

C语言中的switch语句在汇编中通常通过跳转表（jump table）来实现：

void switch_eg(long x, long n, long *dest)
{
    long val = x;
 
    switch (n) {
    case 100:
        val *= 13;
        break;
 
    case 102:
        val += 10;
        /* Fall through */
 
    case 103:
        val += 11;
        break;
 
    case 104:
    case 106:
        val *= val;
        break;
 
    default:
        val = 0;
    }
 
    *dest = val;
}

用goto改写以更贴切汇编：

void switch_eg(long x, long n,
    long *dest)
{
    /* Table of code pointers */
    static void *jt[7] = {
    &loc_A, &loc_def, &loc_B,
    &loc_C, &loc_D, &loc_def,
    &loc_D
    };
 
    // 偏移并且显示范围
    // int转unsigned int自动将负数转为很大的正数从而过滤
    unsigned long index = n - 100;
    long val;
 
    if (index > 6)
    goto loc_def;
    /* Multilay branch */
    goto *jt[index];
 
    loc_A:    /* Case 100 */
    val = x * 13;
    goto done;
 
    loc_B:    /* Case 102 */
    x = x + 10;
    /* Fall through */
 
    loc_C:    /* Case 103 */
    val = x + 11;
    goto done;
 
    loc_D:    /* Cases 104, 106 */
    val = x * x;
    goto done;
 
    loc_def: /* Default case */
    val = 0;
    done:
    *dest = val;
}

通过建立跳转表，程序可以在 $O(1)$ 时间内跳转到对应的代码块，而不需要进行多次比较和跳转

建立的跳转表有如下特征：

通过偏移与限制，让跳转表的索引从0开始
0和最大值之间无效的索引会跳转到默认处理代码块
多个case标签对应同一代码块时，跳转表中会有多个相同的地址
标签按顺序排列时，没有break的case标签自然滑下
标签不按顺序存储，需要加一个跳转语句跳转到下一个标签

汇编当中编译器会在.s文件写入跳转表的内容：

    .L4:
        .quad .L9
        .quad .L5
        .quad .L6
        .quad .L7
        .quad .L2
        .quad .L7
        .quad .L8
        .quad .L2
        .quad .L5

通过jmp *L4(,%rdi,8)指令实现跳转到对应的标签，其中%rdi存储了偏移后的索引值，8是因为每个地址占8字节。