使用 g++ -march=x86-64 构建的代码可以在 32 位操作系统上运行吗？

Question

我想我在 x86-64/i686 架构和 32 位/64 位操作系统之间感到困惑。

如果我在 32 位操作系统（例如 Ubuntu 14.04）上使用 g++ 构建应用程序，那么 -m64 不是有效选项，我无法构建 64 位二进制文​​件。但是，g++ 并没有抱怨使用-march=x86-64。 （硬件是 Core i7。）

然后，如果我在 64 位操作系统（例如 Ubuntu 20.04）上构建，我可以在 -m32 和 -m64 之间切换并构建 32 位或 64 位二进制文​​件。

所以，我的理解是……

-m32 和-m64 规定了我可以在哪些操作系统上使用二进制文件。 （包括在 64 位操作系统上使用的 32 位二进制文​​件和适当的库）

而-march 定义了将用于代码生成的指令集——不管它注定要在什么操作系统上运行。

所以我的主要问题是......

鉴于我可以使用 -m32 -march=x86-64 在 32 位操作系统上构建和运行二进制文件，这是否意味着 x86-64 指令可以在 32 位操作系统上使用?

Answer 1

不，64 位指令不能在 32 位操作系统下使用（甚至在 64 位内核下的 32 位用户空间），这不是 -march=x86-64 的意思。

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-march=x86-64 表示目标 CPU 支持 x86-64 保证的 ISA 扩展的基线集：SSE2、CMOV、CPUID、RDTSC 等 P6 特性。但是没有-m64，代码仍然可以在32位模式下工作。

（对于 x86-64 的目标 ISA，它们本身并不是“扩展”。但我们通常仍然说 x86-64 意味着 SSE 和 SSE2，因为这是对那些在 XMM 上运行的指令进行分类的便捷方法寄存器。如果我们将 x86-64 本身视为 x86 的扩展，那是有道理的。）

所以-march=x86-64 与-march=k8 或-march=nocona（特定早期x86-64 CPU）非常相似。就像这些选项一样，它对-m32 完全有效，并不意味着制作 64 位代码。 GCC 仍然知道（来自-m32）它的目标是 32 位模式（保护或兼容模式），而不是 64 位长模式。

由于这些模式使用不兼容的机器代码格式，它根本不像 16 位到 32 位的转换，您可能期望 -march=i386 在制作 16 位代码时让编译器使用 32 位寄存器。在 x86-64 中，64 位寄存器只能用于长模式，不能用于兼容模式或传统模式的任何子模式（例如保护模式）。见https://en.wikipedia.org/wiki/X86-64#Operating_modes

这里的关键点是 32 位进程在兼容模式下（在 64 位内核下）没有什么是在保护模式下（在 32 位内核下）做不到的。 x86-64 没有为 32 位进程提供在 64 位内核下运行的方法。 （除了对 64 位代码段进行远 jmp 操作，但大多数操作系统不支持此操作，编译器肯定不会发出代码来执行此操作。当然，使用完整的 4GB 地址空间，但在条款实际的机器代码指令，什么都没有。）所以没有任何你想让编译器使用的功能只能在 64 位内核下的 32 位模式下工作。

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TL:DR: -m32 -march=x86-64 可以解释为“通用 x86-64 CPU 的目标兼容/保护模式”。

实际上它只是意味着“启用这组 ISA 扩展”，并且 这个名称对 GCC 来说并没有比 -march=foobarbaz 或 -mtune=intel 更有意义，它只是一个用于表的文本字符串调整和 ISA 扩展设置。