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sunface 2 years ago
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# 内联汇编
Rust 提供了 `asm!` 宏,可以让大家在 Rust 代码中嵌入汇编代码,对于一些极致高性能或者底层的场景还是非常有用的,例如操作系统内核开发。但通常来说,大家并不应该在自己的项目中使用到该项技术,它为极客而生!
本章的例子是基于 `x86/x86-64` 汇编的,但是其它架构也是支持的,目前支持的包括:
- x86 和 x86-64
- ARM
- AArch64
- RISC-V
当使用在不支持的平台上时,编译器会给出报错。
> 注意:本章节不负责教大家使用汇编,需要学习的同学请参考相关书籍
## 基本用法
先从一个简单例子开始:
```rust
use std::arch::asm;
unsafe {
asm!("nop");
}
```
注意 `unsafe` 语句块依然是必不可少的,因为可能在里面插入危险的指令,最终破坏代码的安全性。
上面代码将插入一个 `NOP` 指令( 空操作 ) 到编译器生成的汇编代码中,其中指令作为 `asn!` 的第一个参数传入。
## 输入和输出
上面的代码有够无聊的,来点实际的:
```rust
use std::arch::asm;
let x: u64;
unsafe {
asm!("mov {}, 5", out(reg) x);
}
assert_eq!(x, 5);
```
这段代码将 `5` 赋给 `u64` 类型的变量 `x`,值得注意的是 `asm!` 的指令参数实际上是一个格式化字符串。至于传给格式化字符串的参数,看起来还是比较陌生的:
- 首先,需要说明目标变量是作为内联汇编的输入还是输出,在本例中,是一个输出 `out`
- 最后,要指定变量将要使用的寄存器,本例中使用通用寄存器 `reg`,编译器会自动选择合适的寄存器
```rust
use std::arch::asm;
let i: u64 = 3;
let o: u64;
unsafe {
asm!(
"mov {0}, {1}",
"add {0}, 5",
out(reg) o,
in(reg) i,
);
}
assert_eq!(o, 8);
```
上面的代码中进一步使用了输入 `in`,将 `5` 加到输入的变量 `i` 上,然后将结果写到输出变量 `o`。实际的操作方式是首先将 `i` 的值拷贝到输出,然后再加上 `5`
上例还能看出几点:
- `asm!` 允许使用多个格式化字符串,每一个作为单独一行汇编代码存在,看起来跟阅读真实的汇编代码类似
- 输入变通过 `in` 来声明
- 和以前见过的格式化字符串一样,可以使用多个参数,通过 {0}, {1} 来指定,这种方式特别有用,毕竟在代码中,变量是经常复用的,而这种参数的指定方式刚好可以复用
事实上,还可以进一步优化代码,去掉 `mov` 指令:
```rust
use std::arch::asm;
let mut x: u64 = 3;
unsafe {
asm!("add {0}, 5", inout(reg) x);
}
assert_eq!(x, 8);
```
又多出一个 `inout` 关键字,但是不难猜,它说明 `x` 即是输入又是输出。与之前的分离方式还有一点很大的区别,这种方式可以保证使用同一个寄存器来完成任务。
当然,你可以在使用 `inout` 的情况下,指定不同的输入和输出:
```rust
use std::arch::asm;
let x: u64 = 3;
let y: u64;
unsafe {
asm!("add {0}, 5", inout(reg) x => y);
}
assert_eq!(y, 8);
```
## 延迟输出操作符
Rust 编译器对于操作数分配是较为保守的,它会假设 `out` 可以在任何时间被写入,因此 `out` 不会跟其它参数共享它的位置。然而为了保证最佳性能,使用尽量少的寄存器是有必要的,这样它们不必在内联汇编的代码块内保存和重加载。
为了达成这个目标( 共享位置或者说寄存器,以实现减少寄存器使用的性能优化 )Rust 提供一个 `lateout` 关键字,可以用于任何只在所有输入被消费后才被写入的输出,与之类似的还有一个 `inlateout`
但是 `inlateout` 在某些场景中是无法使用的,例如下面的例子:
```rust
use std::arch::asm;
let mut a: u64 = 4;
let b: u64 = 4;
let c: u64 = 4;
unsafe {
asm!(
"add {0}, {1}",
"add {0}, {2}",
inout(reg) a,
in(reg) b,
in(reg) c,
);
}
assert_eq!(a, 12);
```
一旦用了 `inlateout` 后,上面的代码就只能运行在 `Debug` 模式下,原因是 `Debug` 并没有做任何优化,但是 `release` 发布不同,为了性能是要做很多编译优化的。
在编译优化时,编译器可以很容易的为输入 `b``c` 分配同样的是寄存器,因为它知道它们有同样的值。如果这里使用 `inlateout` 那么 `a``c` 就可以被分配到相同的寄存器,在这种情况下,第一条指令将覆盖掉 `c` 的值,最终导致汇编代码产生错误的结果。
因此这里使用 `inout`,那么编译器就会为 `a` 分配一个独立的寄存器.
但是下面的代码又不同,它是可以使用 `inlateout` 的:
```rust
use std::arch::asm;
let mut a: u64 = 4;
let b: u64 = 4;
unsafe {
asm!("add {0}, {1}", inlateout(reg) a, in(reg) b);
}
assert_eq!(a, 8);
```
原因在于输出只有在所有寄存器都被读取后,才被修改。因此,即使 `a``b` 被分配了同样的寄存器,代码也会正常工作,不存在之前的覆盖问题。
## 显式指定寄存器

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