22|生成汇编代码（一）：汇编语言其实不难学

敲黑板：课程用的是 GNU 汇编器，macOS 和 Linux 已内置，本文的汇编语言的写法是 GNU 汇编器规定的写法。Windows 系统可安装 MinGW 或 Linux 虚拟机。

对于静态编译型语言，比如 C 语言和 Go 语言，编译器后端的任务就是生成汇编代码，然后再由汇编器生成机器码，生成的文件叫目标文件，最后再使用链接器就能生成可执行文件或库文件了。

就算像 JavaScript 这样的解释执行的语言，也要在运行时利用类似的机制生成机器码，以便调高执行的速度。Java 的字节码，在运行时通常也会通过 JIT 机制编译成机器码。而汇编语言是完成这些工作的基础。

对你来说，掌握汇编语言是十分有益的，因为哪怕掌握一小点儿汇编技能，就能应用到某项工作中，比如，在 C 语言里嵌入汇编，实现某个特殊功能；或者读懂某些底层类库或驱动程序的代码，因为它可能是用汇编写的。

本节课，我先带你了解一下汇编语言，来个破冰之旅。然后在接下来的课程中再带你基于 AST 手工生成汇编代码，破除你对汇编代码的恐惧，了解编译期后端生成汇编代码的原理。

以后，当你看到高级语言的代码，以及 IR 时，就可以想象出来它对应的汇编代码是什么样子，实现从上层到底层认知的贯通。

了解汇编语言

机器语言都是 0101 的二进制的数据，不适合我们阅读。而汇编语言，简单来说，是可读性更好的机器语言，基本上每条指令都可以直接翻译成一条机器码。

跟你日常使用的高级语言相比，汇编语言的语法特别简单，但它要跟硬件（CPU 和内存）打交道，我们来体会一下。

计算机的处理器有很多不同的架构，比如 x86-64、ARM、Power 等，每种处理器的指令集都不相同，那也就意味着汇编语言不同。我们目前用的电脑，CPU 一般是 x86-64 架构，是 64 位机。（如不做特别说明，本课程都是以 x86-64 架构作为例子的）。

说了半天，汇编代码长什么样子呢？我用 C 语言写的例子来生成一下汇编代码。

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#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[]){

    printf("Hello %s!\n", "Richard");

    return 0;

}

在 macOS 中输入下面的命令，其中的 -S 参数就是告诉编译器把源代码编译成汇编代码，而 -O2 参数告诉编译器进行 2 级优化，这样生成的汇编代码会短一些：

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clang -S -O2 hello.c -o hello.s

或者：

gcc -S -O2 hello.c -o hello.s

生成的汇编代码是下面的样子：

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 .section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions

    .build_version macos, 10, 14    sdk_version 10, 14

    .globl  _main                   ## -- Begin function main

    .p2align    4, 0x90

_main:                                  ## @main

    .cfi_startproc

## %bb.0:

    pushq   %rbp

    .cfi_def_cfa_offset 16

    .cfi_offset %rbp, -16

    movq    %rsp, %rbp

    .cfi_def_cfa_register %rbp

    leaq    L_.str(%rip), %rdi

    leaq    L_.str.1(%rip), %rsi

    xorl    %eax, %eax

    callq   _printf

    xorl    %eax, %eax

    popq    %rbp

    retq

    .cfi_endproc

                                        ## -- End function 

    .section    __TEXT,__cstring,cstring_literals

L_.str:                                 ## @.str

    .asciz  "Hello %s!\n"

 L_.str.1:                               ## @.str.1

    .asciz  "Richard"

 .subsections_via_symbols

你如果再打下面的命令，就会把这段汇编代码编译成可执行文件（在 macOS 或 Linux 执行 as 命令，就是调用了 GNU 的汇编器）：

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as hello.s -o hello

以上面的代码为例，来看一下汇编语言的组成元素。**这是汇编语言入门的基础，也是重点内容，在阅读时，你不需要死记硬背，而是要灵活掌握，**比如 CPU 的指令特别多，我们记住常用的就行了，不太常用的可以去查手册。

1. 汇编语言的组成元素

这段代码里有指令、伪指令、标签和注释四种元素，每个元素单独占一行。

**指令（instruction）是直接由 CPU 进行处理的命令，**例如：

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pushq   %rbp

movq    %rsp, %rbp

其中，开头的一个单词是助记符（mnemonic），后面跟着的是操作数（operand），有多个操作数时以逗号分隔。第二行代码的意思是把数据从这里（源）拷贝到那里（目的），这跟“请倒杯咖啡给我”这样的自然语句是一样的，先是动词（倒），然后是动词的作用对象（咖啡），再就是目的地（给我）。

伪指令以“.”开头，末尾没有冒号“：”。

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.section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions

.globl  _main        

.asciz  "Hello %s!\n"

伪指令是是辅助性的，汇编器在生成目标文件时会用到这些信息，但伪指令不是真正的 CPU 指令，就是写给汇编器的。每种汇编器的伪指令也不同，要查阅相应的手册。

**标签以冒号“:”结尾，用于对伪指令生成的数据或指令做标记。**例如 L_.str: 标签是对一个字符串做了标记。其他代码可以访问标签，例如跳转到这个标签所标记的指令。

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L_.str:                                 ## @.str

    .asciz  "Hello %s!\n"

标签很有用，它可以代表一段代码或者常量的地址（也就是在代码区或静态数据区中的位置）。可一开始，我们没法知道这个地址的具体值，必须生成目标文件后，才能算出来。所以，标签会简化汇编代码的编写。

第四种元素，注释，以“#”号开头，这跟 C 语言中以 // 表示注释语句是一样的。

因为指令是汇编代码的主要部分，所以我们再把与指令有关的知识点展开讲解一下。

2. 详细了解指令这个元素

在代码中，助记符“movq”“xorl”中的“mov”和“xor”是指令，而“q”和“l”叫做后缀，表示操作数的位数。后缀一共有 b, w, l, q 四种，分别代表 8 位、16 位、32 位和 64 位。

比如，movq 中的 q 代表操作数是 8 个字节，也就是 64 位的。movq 就是把 8 字节从一个地方拷贝到另一个地方，而 movl 则是拷贝 4 个字节。

而在指令中使用操作数，可以使用四种格式，它们分别是：立即数、寄存器、直接内存访问和间接内存访问。

立即数以 $ 开头， 比如 $40。（下面这行代码是把 40 这个数字拷贝到 %eax 寄存器）。

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movl $40, %eax

除此之外，我们在指令中最常见到的就是对寄存器的访问，GNU 的汇编器规定寄存器一定要以 % 开头。

**直接内存访问：**当我们在代码中看到操作数是一个数字时，它其实指的是内存地址。不要误以为它是一个数字，因为数字立即数必须以 $ 开头。另外，汇编代码里的标签，也会被翻译成直接内存访问的地址。比如“callq _printf”中的“_printf”是一个函数入口的地址。汇编器帮我们计算出程序装载在内存时，每个字面量和过程的地址。

**间接内存访问：**带有括号，比如（%rbp），它是指 %rbp 寄存器的值所指向的地址。

间接内存访问的完整形式是：

偏移量（基址，索引值，字节数）这样的格式。

其地址是：

基址 + 索引值 * 字节数 + 偏移量

举例来说：

8(%rbp)，是比 %rbp 寄存器的值加 8。
-8(%rbp)，是比 %rbp 寄存器的值减 8。
（%rbp, %eax, 4）的值，等于 %rbp + %eax*4。这个地址格式相当于访问 C 语言中的数组中的元素，数组元素是 32 位的整数，其索引值是 %eax，而数组的起始位置是 %rbp。其中字节数只能取 1,2,4,8 四个值。

你现在应该对指令的格式有所了解了，接下来，我们再学几个常用的指令：

mov 指令

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mov 寄存器 | 内存 | 立即数， 寄存器 | 内存

这个指令最常用到，用于在寄存器或内存之间传递数据，或者把立即数加载到内存或寄存器。mov 指令的第一个参数是源，可以是寄存器、内存或立即数。第二个参数是目的地，可以是寄存器或内存。

lea 指令，lea 是“load effective address”的意思，装载有效地址。

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lea 源，目的

比如前面例子代码中的 leaq 指令，是把字符串的地址加载到 %rdi 寄存器。

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leaq    L_.str(%rip), %rdi

add 指令是做加法运算，它可以采取下面的格式：

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add 立即数， 寄存器 

add 寄存器， 寄存器 

add 内存， 寄存器 

add 立即数， 内存 

add 寄存器， 内存

比如，典型的 c=a+b 这样一个算术运算可能是这样的：

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movl -4(%rbp), %eax    # 把 %rbp-4 的值拷贝到 %eax

addl -8(%rbp), %eax   # 把 %rbp-8 地址的值加到 %eax 上

movl %eax, -12(%rbp)   # 把 %eax 的值写到内存地址 %rbp-12

这三行代码，分别是操作 a、b、c 三个变量的地址。它们的地址分别比 %rbp 的值减 4、减 8、减 12，因此 a、b、c 三个变量每个都是 4 个字节长，也就是 32 位，它们是紧挨着存放的，并且是从高地址向低地址延伸的，这是栈的特征。

除了 add 以外，其他算术运算的指令：

与栈有关的操作：

跳转类：

过程调用：

比较操作：

以上我列举的指令，是你在编写汇编代码时，经常会用到的，比较重要，会满足你编写简单汇编程序的需求，所以你需要重点关注。

x86-64 是复杂指令集的处理器，有非常多的指令，差不多有上千条，全部记住是比较难的。更好的办法，是记住主要的指令，其他指令在使用时去查Intel 公司的手册，在这里我就不举例了。

x86-64 架构的寄存器

在汇编代码中，我们经常要使用各种以 % 开头的寄存器的符号。初学者阅读这些代码时，通常会有一些疑问：有几个寄存器可以用？我可以随便用它们吗？使用不当会不会造成错误？等等。所以，有必要让你熟悉一下这些寄存器，了解它们的使用方法。

x86-64 架构的 CPU 里有很多寄存器，我们在代码里最常用的是 16 个 64 位的通用寄存器，分别是：

%rax，%rbx，%rcx，%rdx，%rsi，%rdi，%rbp，%rsp， %r8，%r9，%r10，%r11，%r12，%r13，%r14，%r15。

这些寄存器在历史上有各自的用途，比如，rax 中的“a”，是 Accumulator(累加器) 的意思，这个寄存器是累加寄存器。

但随着技术的发展，这些寄存器基本上都成为了通用的寄存器，不限于某种特定的用途。但是，为了方便软件的编写，我们还是做了一些约定，给这些寄存器划分了用途。针对 x86-64 架构有多个调用约定（Calling Convention），包括微软的 x64 调用约定（Windows 系统）、System V AMD64 ABI（Unix 和 Linux 系统）等，下面的内容属于后者：

%rax 除了其他用途外，通常在函数返回的时候，把返回值放在这里。
%rsp 作为栈指针寄存器，指向栈顶。
%rdi，%rsi，%rdx，%rcx，%r8，%r9 给函数传整型参数，依次对应第 1 参数到第 6 参数。超过 6 个参数怎么办？放在栈桢里，我们21 讲已经讲过了。
如果程序要使用 %rbx，%rbp，%r12，%r13，%r14，%r15 这几个寄存器，是由被调用者（Callee）负责保护的，也就是写到栈里，在返回的时候要恢复这些寄存器中原来的内容。其他寄存器的内容，则是由调用者（Caller）负责保护，如果不想这些寄存器中的内容被破坏，那么要自己保护起来。

上面这些寄存器的名字都是 64 位的名字，对于每个寄存器，我们还可以只使用它的一部分，并且另起一个名字。比如对于 %rax，如果使用它的前 32 位，就叫做 %eax，前 16 位叫 %ax，前 8 位（0 到 7 位）叫 %al，8 到 15 位叫 %ah。

其他的寄存器也有这样的使用方式，当你在汇编代码中看到这些名称的时候，你就知道其实它们有可能在物理上是同一个寄存器。

除了通用寄存器以外，有可能的话，还要了解下面的寄存器和它们的用途，我们写汇编代码时也经常跟它们发生关联：

8 个 80 位的 x87 寄存器，用于做浮点计算；
8 个 64 位的 MMX 寄存器，用于 MMX 指令（即多媒体指令），这 8 个跟 x87 寄存器在物理上是相同的寄存器。在传递浮点数参数的时候，要用 mmx 寄存器。
16 个 128 位的 SSE 寄存器，用于 SSE 指令。我们将在应用篇里使用 SSE 指令，讲解 SIMD 的概念。
指令寄存器，rip，保存指令地址。CPU 总是根据这个寄存器来读取指令。
flags（64 位：rflags, 32 位：eflags）寄存器：每个位用来标识一个状态。比如，它们会用于比较和跳转的指令，比如 if 语句翻译成的汇编代码，就会用它们来保存 if 条件的计算结果。

总的来说，我们的汇编代码处处要跟寄存器打交道，正确和高效使用寄存器，是编译期后端的重要任务之一。

课程小结

本节课，我讲解了汇编语言的一些基础知识，由于汇编语言的特点，涉及的知识点和细节比较多，在这个过程中，你无需死记硬背，只需要掌握几个重点内容：

1. 汇编语言是由指令、标签、伪指令和注释构成的。其中主要内容都是指令。指令包含一个该指令的助记符和操作数。操作数可以使用直接数、寄存器，以及用两种方式访问内存地址。

2. 汇编指令中会用到一些通用寄存器。这些寄存器除了用于计算以外，还可以根据调用约定帮助传递参数和返回值。使用寄存器时，要区分由调用者还是被调用者负责保护寄存器中原来的内容。

另外，我们还要注意按照一定的规则维护和使用栈桢，这个知识点会在后面的加餐中展开来讲一个例子。

鉴于你可能是第一次使用汇编语言，所以我提供两个建议，让你快速上手汇编语言：

1. 你可以用 C 语言写一些示例代码，然后用编译器生成汇编代码，看看能否看懂。

2. 模仿文稿中的例子，自己改写并运行你自己的汇编程序，这个过程中，你会发现真的没那么难。

一课一思

你之前学习过或者在项目中使用过汇编语言吗？感受是什么呢？有什么经验和体会呢？欢迎在留言区分享你的经验与感受。

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