C++ 中的内联汇编

概述

C++ 中的内联汇编是指将汇编语言语句嵌入到 C++ 代码中的能力。当性能提升至关重要或 C++ 命令无法直接提供特定硬件操作时，此功能非常有价值。汇编代码用于提供对应用程序特定方面的更大控制，在使用汇编时，程序员可以比使用高级语言在特定任务上实现重要的时间效率提升。

尽管内联汇编的确切用法超出了本文的范围，但了解并非所有编译器在内联汇编方面都支持相同的指令格式是很有用的。例如，GCC、GNU 编译器集合，可以使用 `asm` 或 `__asm__` 关键字来执行内联汇编。在此上下文中，开发人员可以将汇编指令放入 C++ 函数中，指定输入和输出操作数，并使用约束来管理寄存器和内存。另一方面，Microsoft Visual C++ (MSVC) 通过使用 `__asm` 关键字来提供其合并汇编语言的方法。

语法

它具有以下语法：

以下是语法细分

• “汇编代码”：实际的汇编指令以字符串形式出现。它还可以包含输入和输出操作数的占位符。
• 输出操作数：将存储汇编代码结果的寄存器列表。这些寄存器具有约束，决定了值在哪里（例如寄存器）。
• 输入操作数：包含传递到汇编代码中的变量的列表。这些变量通过描述值如何传递（例如，通过寄存器）的约束来指定。
• 被破坏的寄存器：剪辑将要操作的寄存器集。这有助于编译器管理寄存器的状态。

在高活动领域，例如高频交易或实时系统中的应用，它可能非常重要。在将代码迁移到其他硬件平台时，它可能会导致问题。例如，在移植代码时，在某些地方会变得非常麻烦。此外，C++ 程序中的汇编代码高度依赖于底层编程，并且在大型项目中，可能会减慢开发速度，并使没有深入底层编程技能的程序员的代码维护更加痛苦。

总而言之，在 C++ 中使用内联汇编为我们提供了一个强大的工具来提高程序执行所需的速率并访问硬件的特定特性。它在某些情况下提供了最佳优势，但也带来了新的挑战，在一定程度上使解决方案的可移植性和可维护性复杂化。

性质

内联汇编与 C++ 一起使用时具有一些宝贵的特性。以下是其特性的详细介绍

1. 性能优化

内联汇编还允许程序员添加可以进行优化的机器码指令。

2. 特定于编译器的语法

大多数编译器以不同的方式组织内联汇编。例如

GCC 使用 `asm` 或 `__asm__` 关键字调用内联汇编，并处理特定的输入和输出，指定被覆盖的寄存器。

MSVC 使用 `__asm` 关键字，并支持任意汇编指令的代码插入，以及稍微不太严格的操作数类型指定方式。

3. 底层硬件访问

内联汇编使程序员能够访问硬件功能和处理器特定指令。这在处理 CPU 标志、处理多核或操作系统专用指令，或 C++ 本身无法满足的任何操作时非常有用。

4. 可移植性问题

这是因为内联汇编被认为与给定的处理器平台和指令紧密相关。汇编语言代码通常依赖于精确的硬件指令和寄存器；即使将代码移植到其他系统或平台也可能很困难。

5. 模型设计无效导致复杂性和可维护性

与使用其他语言相比，将汇编代码附加到 C++ 会使程序代码更加复杂。涉及内联汇编的调试问题也可能更具挑战性。

6. 与 C++ 代码集成

内联汇编通常嵌入在 C++ 函数中，这允许它与 C++ 交互

以下是使用 C++ 中内联汇编的更详细指南和示例。我们将为 GCC（GNU 编译器集合）和 MSVC（Microsoft Visual C++）提供示例，这些示例涵盖了基本用法并演示了如何执行简单的算术运算。

GCC 内联汇编

GCC 支持使用 `asm` 或 `__asm__` 关键字的内联汇编。通用语法是

示例 1：添加两个数字

输出

 
8   

说明

• “add %%ebx, %%eax;” 是将 EBX 寄存器中的值添加到 EAX 寄存器中的值的汇编指令。
• “=a” (result) 指定输出操作数存储在 EAX 中，并将赋值给 result 变量。
• “a” (a) 和 “b” (b) 指定输入操作数，其中 a 被加载到 EAX，b 被加载到 EBX。

MSVC 内联汇编

MSVC 使用 `__asm` 关键字。语法有所不同，并且与 GCC 相比有所限制。

在给定的 C++ 代码中，目标是演示如何在 C++ 程序中使用内联汇编来执行简单的算术运算，特别是添加两个整数。该程序由一个使用内联汇编计算总和的函数和一个驱动程序并显示结果的 main() 函数组成。

add 函数中的内联汇编

add 函数是嵌入内联汇编的地方。该函数接受两个整数参数 a 和 b，并返回它们的总和。函数操作如下

1. 汇编块： `__asm__` 关键字在 C++ 代码中引入了一个内联汇编块。该块包含将由 CPU 执行的实际汇编指令。
2. 汇编指令：指令“add %%ebx, %%eax;”执行加法。在 x86 汇编语言中，并且是 32 位操作数的加法操作码。%%ebx 和 %%eax 代表 EBX 和 EAX 寄存器。此指令将 EBX 中的值加到 EAX 中的值。
3. 输出操作数： “=a” (result) 指定加法运算的结果应存储在 EAX 寄存器中，然后赋值给 C++ 变量 result。`=a` 约束告诉编译器 EAX 用于输出。
4. 输入操作数： “a” (a) 和 “b” (b) 指定应保存输入值的寄存器。参数 a 被加载到 EAX 寄存器，b 被加载到 EBX 寄存器。a 值将是 EAX 中的初始值，b 将被加到它上面。

当执行汇编代码时，EAX 寄存器将保存 a 和 b 的加法结果，然后将其赋值给 C++ 中的 result 变量。

主函数

main() 函数作为程序的入口点

1. 变量初始化：两个整数变量 num1 和 num2 分别初始化为 5 和 7。
2. 函数调用：使用 num1 和 num2 作为参数调用 add 函数。该函数使用内联汇编计算总和并返回结果。
3. 输出：加法的结果存储在 sum 变量中，并使用 std::cout 打印到控制台。这提供了一个可读的输出，显示两个整数的总和。

示例 2：添加两个数字

输出

 
Result: 8   

说明

• mov eax, 将 a 的值加载到 EAX 寄存器。
• add eax, b 将 b 的值加到 EAX。
• mov result, eax 将 EAX 中的值（结果）移动到 result 变量。

重要注意事项

1. 可移植性：内联汇编特定于编译器和体系结构。GCC 的内联汇编与 MSVC 不直接兼容，反之亦然。
2. 调试：内联汇编会使调试更加复杂。请确保彻底测试并使用调试工具检查汇编代码的正确性。
3. 优化：编译器通常非常擅长优化代码。内联汇编仅应用于在无法通过编译器优化满足特定需求的情况下。

通过了解特定编译器的内联汇编语法和语义，您可以在 C++ 程序中利用汇编语言的强大功能。

复杂度

C++ 中的内联汇编涉及将汇编语言代码直接嵌入 C++ 代码中。它可用于性能优化、访问硬件功能或底层编程任务。但是，它会在多个方面引入复杂性

1. 语法和语义：值得注意的是，内联汇编规则在不同编译器之间略有不同。例如，GCC 接受 `__asm` 或 `asm` 等关键字，而 Microsoft Visual C++ 使用 `__asm` 关键字。内联汇编在每个编译器中都不同，并且语法可能非常难以避免出错。
2. 可移植性：内联汇编代码使用微处理器的预期架构，例如 x86、ARM 等。用内联汇编编写的代码可能不可移植，如果在不同架构上编译代码，则可能无法正常工作。
3. 调试：步进调试由 C++ 和内联汇编器组成的例程令人沮丧，因为从人类可读语言切换到汇编器很麻烦。它不容易跟踪问题，也影响程序流程。
4. 编译器优化： C++ 代码的编译器会进行不同的优化，但它们可能无法完全解释或优化内联汇编代码。这可能导致编译器假设抵消了程序中已编写的汇编代码的目的。
5. 可读性和可维护性：内联汇编可能会降低 C++ 代码的可读性和可维护性。
6. 安全性和可移植性：内联汇编写入通过编译器克服了 C++ 代码的检查。这可能导致诸如假设错误寄存器已设置、内存访问冲突或其他更低级别且难以查找的错误。
7. 工具链支持：内联汇编支持取决于工具链和构建工具。
8. 因此，内联汇编在提高性能或获得后端不支持的独特功能方面无疑是有益的。但是，它会带来巨大的复杂性和潜在的缺点。它们更倾向于在几乎不可避免且已客观评估相对成本的情况下进行。

结论

总之，C++ 中的内联汇编对于获得代码的高性能或获取 C++ 结构不易获得的额外硬件功能非常有用。但是，它的使用伴随着显著的复杂性和权衡

• 特定用例：内联汇编在需要精细控制/优化的场景中最有用，例如系统编程、嵌入式系统创建或需要性能优化的程序。
• 编译器和平台依赖性：内联汇编代码及其流程很大程度上取决于所使用的编译器或特定的目标体系结构。
• 复杂性和可读性：内联汇编与 C++ 代码可能从效率角度有所帮助，但它们从可读性和可维护性方面都破坏了展示。将高级代码与低级代码相结合将导致程序复杂，调试和架构设计难度增加。
• 性能权衡：已指出，内联汇编代码可能具有某些性能优势，但也存在一系列缺点，包括它可能会阻止某些编译器优化，并且取决于不当使用，可能导致创建新错误或使代码效率降低。
• 现代替代方案：大多数时候，使用现代标准 C++ 语言（如 C++11/C++14/C++17）、编译器优化器以及可用标准库的可能性足以使内联汇编变得不必要。

因此，内联汇编的使用应被劝阻，或至少保留给那些必要的罕见场合。因此，在决定集成系统时，必须认识到上述因素，以评估可以获得的收益与伴随该过程的成本和风险。对于大多数应用程序来说，使用高级 C++ 结构并依赖编译器优化可能会更有效且问题更少。