GCC x86_64 asm 中的寄存器分配冲突。终身忽略

Question

我有一个包含一个小汇编块的函数。由 GCC 编译的这个函数的程序集是不正确的，因为它将同一个寄存器分配给两个不同的变量。这是函数来源：

void *ptr;
uint64_t foo(uint64_t arg1) {
  register uint64_t tmp;
  asm ("lea TARGET(%%rip), %[tmp];"
       "shl  $4, %[arg1];"
       "sub  %[arg1], %[tmp];"
       "movq %[tmp], %[ptr];"
      : [ptr] "+m" (ptr), [tmp] "=r" (tmp)
      : [arg1] "r" (arg1)
      :);

  asm ("TARGET:;");
}

我对全局ptr 使用约束“+m”，因为我写入它，它应该在内存中。 tmp 的约束是“=r”，因为它只被写入。输入arg1 的约束仅仅是“r”。这可能很重要。

组装块的 SSA 伪代码是：

tmp_0 = something
arg1_1 = arg1_0 << 4
tmp_1 = tmp_0 - arg_1
*ptr_0 = tmp_1

此函数在优化O0 时编译的程序集是

00000000000005fa <foo>:
 5fa:   55                      push   %rbp
 5fb:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
 5fe:   48 89 7d f8             mov    %rdi,-0x8(%rbp)       # Storing arg1 to stack (optimization level O0)
 602:   48 8b 45 f8             mov    -0x8(%rbp),%rax       # arg1_0 is assigned register rax
 606:   48 8d 05 0e 00 00 00    lea    0xe(%rip),%rax        # 61b <TARGET>, tmp_0 is ALSO assigned rax
 60d:   48 c1 e0 04             shl    $0x4,%rax             # arg1_0 is used, its lifetime ends
 611:   48 29 c0                sub    %rax,%rax             # subtracting two vars both assigned the same register
 614:   48 89 05 fd 09 20 00    mov    %rax,0x2009fd(%rip)   # 201018 <ptr>, store to global

000000000000061b <TARGET>:
 61b:   90                      nop
 61c:   5d                      pop    %rbp
 61d:   c3                      retq 

检查程序集，我们看到在地址 0x602 中，寄存器 rax 分配给了 SSA 寄存器 arg1_0，其生命周期直到指令 0x60d。同时，地址 0x606 处的指令也将寄存器 rax 分配给 SSA 寄存器 tmp_0。似乎一个物理寄存器在其生命周期内被分配给另一个 SSA 寄存器。

系统信息：

• x86_64 CPU
• gcc 版本 7.4.0
• Ubuntu 18.04.3

我的问题：

• 为什么 GCC 会创建这样的程序集输出？
• 我对程序集输入和输出的约束是否正确？如果不是，为什么？
• 这是 GCC 错误吗？

Answer 1

首先，感谢@Jester 完美的评论回答了这个问题。引用：

manual 说：“在所有不能与输入重叠的输出操作数上使用 '&' 约束修饰符（请参阅修饰符）。否则，GCC 可能会将输出操作数分配到与不相关的输入操作数相同的寄存器中，假设汇编代码在产生输出之前消耗其输入。如果汇编代码实际上包含多条指令，则此假设可能是错误的。"

简而言之，我的内联汇编不同意gccs 的假设，即在写入输出之前消耗输入。事实上，gcc 提供了适当的约束修饰符 (&) 来表达这一点。

修复：

-       : [ptr] "+m" (ptr), [tmp] "=r" (tmp)
+       : [ptr] "+m" (ptr), [tmp] "=&r" (tmp)

固定的汇编输出：

00000000000005fa <foo>:
 5fa:   55                      push   %rbp
 5fb:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
 5fe:   48 89 7d f8             mov    %rdi,-0x8(%rbp)
 602:   48 8b 45 f8             mov    -0x8(%rbp),%rax
 606:   48 8d 15 0e 00 00 00    lea    0xe(%rip),%rdx        # 61b <TARGET>
 60d:   48 c1 e0 04             shl    $0x4,%rax
 611:   48 29 c2                sub    %rax,%rdx
 614:   48 89 15 fd 09 20 00    mov    %rdx,0x2009fd(%rip)        # 201018 <ptr>

000000000000061b <TARGET>:
 61b:   90                      nop
 61c:   5d                      pop    %rbp
 61d:   c3                      retq