c++ - 将内联汇编与序列化说明一起使用

Question

我们认为我们正在GCC体系结构上使用GCC(或X86_64兼容)编译器，并且eax，ebx，ecx，edx和level是变量(unsigned int或unsigned int*)用于指令的输入和输出(例如here)。

asm("CPUID":::);
asm volatile("CPUID":::);
asm volatile("CPUID":::"memory");
asm volatile("CPUID":"=a"(eax),"=b"(ebx),"=c"(ecx),"=d"(edx)::"memory");
asm volatile("CPUID":"=a"(eax):"0"(level):"memory");
asm volatile("CPUID"::"a"(level):"memory"); // Not sure of this syntax
asm volatile("CPUID":"=a"(eax),"=b"(ebx),"=c"(ecx),"=d"(edx):"0"(level):"memory");
asm("CPUID":"=a"(eax),"=b"(ebx),"=c"(ecx),"=d"(edx):"0"(level):"memory");
asm volatile("CPUID":"=a"(eax),"=b"(ebx),"=c"(ecx),"=d"(edx):"0"(level));

我不习惯于内联汇编语法，并且我想知道在我只想将CPUID用作serializing instruction的情况下，所有这些调用之间的区别是什么(例如，指令的输出将不执行任何操作) )。

其中一些调用会导致错误吗？

这些调用中的哪一个是最合适的(假设我希望开销尽可能小，但同时要“最强”的序列化)？

Answer 1

首先，lfence的序列化程度可能与cpuid一样强，或者也许没有。如果您关心性能，请检查并查看是否可以找到lfence足够强大的证据(至少对于您的用例而言)。如果mfence; lfence和cpuid都不足以在AMD和Intel上进行序列化，甚至using both mfence 可能也比lfence更好。 (我不确定，请参阅我的链接评论)。

2.是的，所有没有告诉编译器asm语句写E [A-D] X的代码都是危险的，并且很可能会导致难以调试的怪异现象。 (即，您需要使用(虚拟)输出操作数或Clobbers)。

您需要volatile，因为您要为序列化的副作用执行asm代码，而不要产生输出。

如果您不希望将CPUID结果用于任何事情(例如，通过序列化和查询来完成双重任务)，则应仅将寄存器列为Clobbers(而不是输出)，因此不需要任何C变量来保存结果。

// volatile is already implied because there are no output operands
// but it doesn't hurt to be explicit.

// Serialize and block compile-time reordering of loads/stores across this
asm volatile("CPUID"::: "eax","ebx","ecx","edx", "memory");

// the "eax" clobber covers RAX in x86-64 code, you don't need an #ifdef __i386__

I am wondering what would be the difference between all these calls

首先，这些都不是“电话”。它们是asm语句，并内联到使用它们的函数中。 CPUID本身也不是“调用”，尽管我猜您可以将其视为调用CPU内置的微码函数。但是按照这种逻辑，每条指令都是“调用”，例如mul rcx在RAX和RCX中接受输入，并在RDX:RAX中返回。

前三个(后来的一个没有输出，只是一个level输入)通过RDX破坏了RAX，而没有告诉编译器。它将假定那些寄存器仍然保留它们中保存的内容。它们显然无法使用。

如果您不使用任何输出，asm("CPUID":"=a"(eax),"=b"(ebx),"=c"(ecx),"=d"(edx):"0"(level):"memory");(是不带volatile的那个)将优化。而且，如果您确实使用它们，它仍然可以从环路中吊起。优化器将非volatile asm语句视为纯函数，没有副作用。 https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Extended-Asm.html#index-asm-volatile

它有一个内存破坏器，但是(我认为)这并不能阻止它优化，只是意味着，如果它/在何时何地运行，它可能读取/写入的任何变量都将同步到内存，因此内存内容匹配当时的C抽象机。不过，这可能会排除尚未取得地址的当地人。
asm("" ::: "memory")与std::atomic_thread_fence(std::memory_order_seq_cst)非常相似，但请注意asm语句没有输出，因此是隐含的volatile。这就是为什么它没有被优化，不是因为"memory"破坏者本身。 带有内存破坏器的(volatile)asm语句是编译器的障碍，它无法在其上重新排序装入或存储。

优化器根本不在乎第一个字符串文字中的内容，只在乎约束/修饰符，因此asm volatile("anything" ::: register clobbers, "memory")也是仅编译时的内存障碍。我假设这是您想要的，序列化一些内存操作。
"0"(level)是第一个操作数("=a")的匹配约束。您同样可以编写"a"(level)，因为在这种情况下，编译器无法选择要选择的寄存器。输出约束只能由eax满足。您也可以使用"+a"(eax)作为输出操作数，但随后必须在asm语句之前设置eax=level。对于x87堆栈，有时需要匹配约束而不是读写操作数。我认为这是一次SO问题。但是除了像这样的怪异事物外，优点是能够对输入和输出使用不同的C变量，或者根本不对输入使用变量。 (例如，文字常量或左值(表达式))。

无论如何，告诉编译器提供输入可能会导致额外的指令，例如level=0将导致xor的eax归零。如果它早先不需要清零寄存器，那将浪费指令。通常，对输入进行异或归零会破坏对先前值的依赖性，但是这里的CPUID的全部要点是它正在序列化，因此无论如何它必须等待所有先前的指令完成。确保eax尽早准备是没有意义的； 如果您不关心输出，甚至不告诉编译器，您的asm语句将输入。编译器很难或不可能使用没有开销的未定义/未初始化的值；有时，将C变量保留为未初始化状态将导致从堆栈中加载垃圾或将寄存器清零，而不是仅使用寄存器而不先写入寄存器。