x86-64的算数和逻辑操作

前言

本篇文章介绍x86-64的算数和逻辑操作指令，主要包含下面几部分：

• 加载有效地址指令
• 一元操作指令
• 二元操作指令
• 移位指令
• 特殊指令

加载有效地址指令

加载有效地址指令的指令名称为leaq(load effective address quad)，从这个名称就可以看出leaq的特点：

1. 该指令的源操作数是一个内存引用，但是不是指的内存引用在内存中的值，而是内存引用本身这个地址的值，这会让我们一下想到指针，也让我们一下子想到取地址符&。
2. 该指令的目的操作数是一个四字的寄存器，为什么一定是四字呢，因为在x86-64的CPU中，一个内存地址就是用四字来表示的。

更进一步，leaq指令还有一点很牛逼的就是，结合内存引用的计算方式
$$memAdd=Imm(R_b,R_i,s)$$
我们可以很方便的运行很多运算，我们实际举一个例子，下面是正经C代码

#include 
long scale(long x, long y, long z);
int main()
{
	int a = scale(10,11,12);
	return 0;
}

long scale(long x, long y, long z)
{
	long t = x + 4 * y + 12 * z;
	return t;
}

我们用gcc编译成汇编代码，不同的优化级别会生成不同的代码，比如使用默认的优化gcc -S test1.c -o test1.s，生成的部分代码如下：

	movq	%rdi, -24(%rbp)		# rdi就是x
	movq	%rsi, -32(%rbp)		# rsi就是y
	movq	%rdx, -40(%rbp)		# rdx就是z
	movq	-32(%rbp), %rax		
	leaq	0(,%rax,4), %rdx	# 4 * y
	movq	-24(%rbp), %rax
	leaq	(%rdx,%rax), %rcx	# x + 4 * y
	movq	-40(%rbp), %rdx
	movq	%rdx, %rax
	addq	%rax, %rax		# 2 * z
	addq	%rdx, %rax		# 2 * z + z = 3 * z
	salq	$2, %rax		# (3 * z) * 4 = 12 * z
	addq	%rcx, %rax		# x + 4 * y + 12 * z

经过-O3优化后gcc -S test1.c -o test1.s -O3的代码如下：

	# rdi就是x 
	# rsi就是y 
	# rdx就是z
	leaq	(%rdi,%rsi,4), %rax	# x + 4 * y
	leaq	(%rdx,%rdx,2), %rdx	# z + 2 * z = 3 * z
	leaq	(%rax,%rdx,4), %rax	# x + 4 * y + (3 * z)*4

这玩意真是个天才的设计

一元操作指令

一元操作指令有四个：
INC D：D = D +1
DEC D：D = D -1
NEG D：D = -D 数值取反
NOT D：按位取反
D既可以是一个寄存器，也可以是一个内存引用

二元操作指令

二元操作指令有六个：
ADD S, D：D = D + S
SUB S, D：D = D - S
IMUL S, D：D = D * S
XOR S, D：D = D ^ S
OR S, D：D = D | S
AND S, D：D = D & S
D既可以是一个寄存器，也可以是一个内存引用
S可以是一个立即数，寄存器或者内存引用

移位指令

移位指令有四个：
SAL k, D：全称(Shift Arithmetic(算术) Left)，D向左移动k位
SHL k, D：全称(Shift Logical(逻辑) Left)，D向左移动k位
SAR k, D：全称(Shift Arithmetic(算术) Right)，D向右移动k位，左侧的位用符号位补齐
SHR k, D：全称(Shift Logical(逻辑) Right)，D向右移动k位，左侧的位用0补齐

注意：
k可以是一个立即数，或者是寄存器cl，只能是这个寄存器，并且按理说cl有八位，最多可以移位255。但是实际不是这样，移位操作对$w$位长的数据值进行操作，移位量是由寄存器cl的低m位决定的，这里$2^m=w$ 。高位会被忽略

特殊指令

单操作数乘法

imulq S：计算 S * %rax的值，S和%rax都作为有符号数处理，结果高64位存储在寄存器rdx中，低64位存储在寄存器rax中

mulq S：计算 S * %rax的值，S和%rax都作为无符号数处理，结果高64位存储在寄存器rdx中，低64位存储在寄存器rax中

idivq S：寄存器rdx(高64位)和rax(低64位)中的128位数作为有符号被除数，S作为有符号除数，结果余数存储在寄存器rdx中，商存储在寄存器rax中

divq S：寄存器rdx(高64位)和rax(低64位)中的128位数作为无符号被除数，S作为无符号除数，结果余数存储在寄存器rdx中，商存储在寄存器rax中

clto：将寄存器rax的值以符号位扩展到寄存器rdx和rax的128位中