c - 如何编写一小段内联 gnu 扩展程序集来交换两个整数变量的值？

Question

为了娱乐，我正在学习使用 AT&T 语法的 gnu 扩展汇编，用于 x86 和 32 位 Linux 目标。我刚刚花了过去三个小时编写了两个可能的解决方案来应对交换两个整数变量 a 和 b 的值的挑战，但我的解决方案都没有完全解决我的问题。首先，让我们更详细地看看我的 TODO 障碍:

int main()
{
    int a = 2, b = 1;
    printf("a is %d, b is %d\n", a, b);
    // TODO: swap a and b using extended assembly, and do not modify the program in any other way
    printf("a is %d, b is %d\n", a, b);
}

阅读后this HOWTO ，我编写了以下内联扩展汇编代码。这是我第一次尝试交换整数:

asm volatile("movl %0, %%eax;"
    "movl %1, %%ecx;"
    "movl %%ecx, %0;"
  : "=r" (a)
  : "r" (b)
  : "%eax", "%ecx");

asm volatile("movl %%eax, %0;"
  : "=r" (b)
  : "r" (a)
  : "%eax", "%ecx");

我的理由是，要设置 a = b，我需要一个与设置 b = a 的程序集分离的扩展程序集调用。因此，我编写了两个扩展的汇编调用，编译了我的代码，即 gcc -m32 asmPractice.c，并运行了 a.out。结果如下:

a is 2, b is 1

a is 1, b is 1

看到它无法正常工作，我决定将两个扩展汇编器调用结合起来，并编写了以下内容:

asm volatile("movl %0, %%eax;"
    "movl %1, %%ecx;"
    "movl %%ecx, %0;"
    "movl %%eax, %1;"
  : "=r" (a)
  : "r" (b));

重新编译和链接后，我的代码仍然无法正确交换两个值。你自己看。这是我的结果:

a is 2, b is 1

a is 1, b is 1

Answer 1

以下是评论中的一些解决方案:

解决方案#0(最佳选择):https://gcc.gnu.org/wiki/DontUseInlineAsm
即使零指令解决方案也无法克服常量传播以及任何其他涉及 gcc 了解该值的优化。它还强制编译器在此时同时将两个变量放入寄存器中。在考虑使用 inline-asm 而不是内置函数/内在函数时，请始终牢记这些缺点。

解决方案#1:x86 xchg，无暂存寄存器，并且可以在 AT&T 和 Intel 语法模式下工作。 Costs about the same as 3 mov instructions在大多数 Intel CPU 上，或者在某些 AMD 上只有 2 uops。

asm("xchg %0, %1;" : "+r" (a), "+r" (b));

解决方案 #2:纯粹使用 GNU C 内联汇编约束。(奖励:可移植到所有架构)

asm("" : "=r" (a), "=r" (b) : "1" (a), "0" (b));

<小时/>

查看所有三种实际解决方案 on the Godbolt compiler explorer ，包括它们击败优化的例子:

int swap_constraints(int a, int b) {
    asm("" : "=r" (a), "=r" (b) : "1" (a), "0" (b));
    return a;
}

// Demonstrate the optimization-defeating behaviour:
int swap_constraints_constants(void) {
  int a = 10, b = 20;
  return swap_constraints(a, b) + 15;
}

swap_constraints_constants:
    movl    $10, %edx
    movl    $20, %eax
    addl    $15, %eax
    ret

对比使用纯 C 交换:

swap_noasm_constants:
    movl    $35, %eax    # the add is done at compile-time, and `a` is optimized away as unused.
    ret