GCC在C語言中內嵌匯編 asm __volatile__ 【轉】
轉自：http://blog.csdn.net/pbymw8iwm/article/details/8227839
在內嵌匯編中，可以將C語言表達式指定為匯編指令的操作數，而且不用去管如何將C語言表達式的值讀入哪個寄存器，以及如何將計算結果寫回C 變量，你只要告訴程序中C語言表達式與匯編指令操作數之間的對應關系即可， GCC會自動插入代碼完成必要的操作。
1、簡單的內嵌匯編
例：
__asm__ __volatile__("hlt");
"__asm__"表示後面的代碼為內嵌匯編，"asm"是"__asm__"的別名。"__volatile__"表示編譯器不要優化代碼，後面的指令
保留原樣，"volatile"是它的別名。括號裏面是匯編指令。
2、內嵌匯編舉例
使用內嵌匯編，要先編寫匯編指令模板，然後將C語言表達式與指令的操作數相關聯，並告訴GCC對這些操作有哪些限制條件。例如在下面的匯編語句：
__asm__ __violate__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "m" (input));
"movl %1,%0"是指令模板；"%0"和"%1"代表指令的操作數，稱為占位符，內嵌匯編靠它們將C 語言表達式與指令操作數相對應。指令模板後面用小括號括起來的是C語言表達式，本例中只有兩個："result"和"input"，他們按照出現的順序分 別與指令操作數"%0"，"%1"對應；註意對應順序：第一個C 表達式對應"%0"；第二個表達式對應"%1"，依次類推，操作數至多有10 個，分別用"%0","%1"...."%9"表示。在每個操作數前面有一個用引號括起來的字符串，字符串的內容是對該操作數的限制或者說要求。 "result"前面的限制字符串是"=r"，其中"="表示"result"是輸出操作數，"r" 表示需要將"result"與某個通用寄存器相關聯，先將操作數的值讀入寄存器，然後在指令中使用相應寄存器，而不是"result"本身，當然指令執行 完後需要將寄存器中的值存入變量"result"，從表面上看好像是指令直接對"result"進行操作，實際上GCC做了隱式處理，這樣我們可以少寫一 些指令。"input"前面的"r"表示該表達式需要先放入某個寄存器，然後在指令中使用該寄存器參加運算。
movl input, result
很明顯這是一條非法指令，因此限制字符串必須與指令對操作數的要求匹配。例如指令movl允許寄存器到寄存器，立即數到寄存器等，但是不允許內存到內存的操作，因此兩個操作數不能同時使用"m"作為限定字符。
內嵌匯編語法如下：
__asm__(匯編語句模板: 輸出部分: 輸入部分: 破壞描述部分)
__asm__ __volatile__("cli": : :"memory")
1、匯編語句模板
匯編語句模板由匯編語句序列組成，語句之間使用";"、"\n"或"\n\t"分開。指令中的操作數可以使用占位符引用C語言變量，操作數占位符最多10個，名稱如下：%0，%1，...，%9。指令中使用占位符表示的操作數，總被視為long型（4個字節），但對其施加的操作根據指令可以是字或者字節，當把操作數當作字或者字節使用時，默認為低字或者低字節。對字節操作可以顯式的指明是低字節還是次字節。方法是在%和序號之間插入一個字母，"b"代表低字節，"h"代表高字節，例如：%h1。
2、輸出部分
輸出部分描述輸出操作數，不同的操作數描述符之間用逗號格開，每個操作數描述符由限定字符串和C 語言變量組成。每個輸出操作數的限定字符串必須包含"="表示他是一個輸出操作數。
例：
__asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x) )
描述符字符串表示對該變量的限制條件，這樣GCC 就可以根據這些條件決定如何分配寄存器，如何產生必要的代碼處理指令操作數與C表達式或C變量之間的聯系。
3、輸入部分
輸入部分描述輸入操作數，不同的操作數描述符之間使用逗號格開，每個操作數描述符由限定字符串和C語言表達式或者C語言變量組成。
例1 ：
__asm__ __volatile__ ("lidt %0" : : "m" (real_mode_idt));
例二（bitops.h）：
Static __inline__ void __set_bit(int nr, volatile void * addr)
{
__asm__(
"btsl %1,%0"
:"=m" (ADDR)
:"Ir" (nr));
}
後 例功能是將(*addr)的第nr位設為1。第一個占位符%0與C 語言變量ADDR對應，第二個占位符%1與C語言變量nr對應。因此上面的匯編語句代碼與下面的偽代碼等價：btsl nr, ADDR，該指令的兩個操作數不能全是內存變量，因此將nr的限定字符串指定為"Ir"，將nr 與立即數或者寄存器相關聯，這樣兩個操作數中只有ADDR為內存變量。
4、限制字符
4.1、限制字符列表
限制字符有很多種，有些是與特定體系結構相關，此處僅列出常用的限定字符和i386中可能用到的一些常用的限定符。它們的作用是指示編譯器如何處理其後的C語言變量與指令操作數之間的關系。
分類 限定符 描述
通用寄存器 "a" 將輸入變量放入eax
這裏有一個問題：假設eax已經被使用，那怎麽辦？
其實很簡單：因為GCC 知道eax 已經被使用，它在這段匯編代碼
的起始處插入一條語句pushl %eax，將eax 內容保存到堆棧，然
後在這段代碼結束處再增加一條語句popl %eax，恢復eax的內容
"b" 將輸入變量放入ebx
"c" 將輸入變量放入ecx
"d" 將輸入變量放入edx
"s" 將輸入變量放入esi
"d" 將輸入變量放入edi
"q" 將輸入變量放入eax，ebx，ecx，edx中的一個
"r" 將輸入變量放入通用寄存器，也就是eax，ebx，ecx，
edx，esi，edi中的一個
"A" 把eax和edx合成一個64 位的寄存器(use long longs)
內存 "m" 內存變量
"o" 操作數為內存變量，但是其尋址方式是偏移量類型，
也即是基址尋址，或者是基址加變址尋址
"V" 操作數為內存變量，但尋址方式不是偏移量類型
" " 操作數為內存變量，但尋址方式為自動增量
"p" 操作數是一個合法的內存地址（指針）
寄存器或內存 "g" 將輸入變量放入eax，ebx，ecx，edx中的一個
或者作為內存變量
"X" 操作數可以是任何類型
立即數
"I" 0-31之間的立即數（用於32位移位指令）
"J" 0-63之間的立即數（用於64位移位指令）
"N" 0-255之間的立即數（用於out指令）
"i" 立即數
"n" 立即數，有些系統不支持除字以外的立即數，
這些系統應該使用"n"而不是"i"
匹配 " 0 "， 表示用它限制的操作數與某個指定的操作數匹配，
"1" ... 也即該操作數就是指定的那個操作數，例如"0"
"9" 去描述"％1"操作數，那麽"%1"引用的其實就
是"%0"操作數，註意作為限定符字母的0－9 與
指令中的"％0"－"％9"的區別，前者描述操作數，
後者代表操作數。
& 該輸出操作數不能使用過和輸入操作數相同的寄存器
操作數類型 "=" 操作數在指令中是只寫的（輸出操作數）
"+" 操作數在指令中是讀寫類型的（輸入輸出操作數）
浮點數 "f" 浮點寄存器
"t" 第一個浮點寄存器
"u" 第二個浮點寄存器
"G" 標準的80387浮點常數
% 該操作數可以和下一個操作數交換位置
例如addl的兩個操作數可以交換順序
（當然兩個操作數都不能是立即數）
# 部分註釋，從該字符到其後的逗號之間所有字母被忽略
* 表示如果選用寄存器，則其後的字母被忽略
5、破壞描述部分
破壞描述符用於通知編譯器我們使用了哪些寄存器或內存，由逗號格開的字符串組成，每個字符串描述一種情況，一般是寄存器名；除寄存器外還有"memory"。例如："%eax"，"%ebx"，"memory"等。
"memory"比較特殊，可能是內嵌匯編中最難懂部分。為解釋清楚它，先介紹一下編譯器的優化知識，再看C關鍵字volatile。最後去看該描述符。
1、編譯器優化介紹
內存訪問速度遠不及CPU處理速度，為提高機器整體性能，在硬件上引入硬件高速緩存Cache，加速對內存的訪問。另外在現代CPU中指令的執行並不一定 嚴格按照順序執行，沒有相關性的指令可以亂序執行，以充分利用CPU的指令流水線，提高執行速度。以上是硬件級別的優化。再看軟件一級的優化：一種是在編 寫代碼時由程序員優化，另一種是由編譯器進行優化。編譯器優化常用的方法有：將內存變量緩存到寄存器；調整指令順序充分利用CPU指令流水線，常見的是重 新排序讀寫指令。對常規內存進行優化的時候，這些優化是透明的，而且效率很好。由編譯器優化或者硬件重新排序引起的問題的解決辦法是在從硬件（或者其他處 理器）的角度看必須以特定順序執行的操作之間設置內存屏障（memory barrier），linux 提供了一個宏解決編譯器的執行順序問題。
void Barrier(void)
這個函數通知編譯器插入一個內存屏障，但對硬件無效，編譯後的代碼會把當前CPU寄存器中的所有修改過的數值存入內存，需要這些數據的時候再重新從內存中讀出。
2、C語言關鍵字volatile
C 語言關鍵字volatile（註意它是用來修飾變量而不是上面介紹的__volatile__）表明某個變量的值可能在外部被改變，因此對這些變量的存取 不能緩存到寄存器，每次使用時需要重新存取。該關鍵字在多線程環境下經常使用，因為在編寫多線程的程序時，同一個變量可能被多個線程修改，而程序通過該變 量同步各個線程，例如：
DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal)
{
int* intSignal=reinterpret_cast<int*>(signal);
*intSignal=2;
while(*intSignal!=1)
sleep(1000);
return 0;
}
該線程啟動時將intSignal 置為2，然後循環等待直到intSignal 為1 時退出。顯然intSignal的值必須在外部被改變，否則該線程不會退出。但是實際運行的時候該線程卻不會退出，即使在外部將它的值改為1，看一下對應的偽匯編代碼就明白了：
mov ax,signal
label:
if(ax!=1)
goto label
對於C編譯器來說，它並不知道這個值會被其他線程修改。自然就把它cache在寄存器裏面。記住，C 編譯器是沒有線程概念的！這時候就需要用到volatile。volatile 的本意是指：這個值可能會在當前線程外部被改變。也就是說，我們要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile關鍵字，這時 候，編譯器知道該變量的值會在外部改變，因此每次訪問該變量時會重新讀取，所作的循環變為如下面偽碼所示：
label:
mov ax,signal
if(ax!=1)
goto label
3、Memory
有了上面的知識就不難理解Memory修改描述符了，Memory描述符告知GCC：
1）不要將該段內嵌匯編指令與前面的指令重新排序；也就是在執行內嵌匯編代碼之前，它前面的指令都執行完畢
2）不要將變量緩存到寄存器，因為這段代碼可能會用到內存變量，而這些內存變量會以不可預知的方式發生改變，因此GCC插入必要的代碼先將緩存到寄存器的變量值寫回內存，如果後面又訪問這些變量，需要重新訪問內存。
如果匯編指令修改了內存，但是GCC 本身卻察覺不到，因為在輸出部分沒有描述，此時就需要在修改描述部分增加"memory"，告訴GCC 內存已經被修改，GCC 得知這個信息後，就會在這段指令之前，插入必要的指令將前面因為優化Cache 到寄存器中的變量值先寫回內存，如果以後又要使用這些變量再重新讀取。
使用"volatile"也可以達到這個目的，但是我們在每個變量前增加該關鍵字，不如使用"memory"方便
關於編譯器優化的兩個類型限定詞：volatile和restrict
http://www.diybl.com/course/3_program/c++/cppjs/2008331/107755.html
最近開始學習C語言，想把學習過程中的一些心得記錄下來，權當自己學習經歷中的筆記吧。如果你無意中看到這些文章，能幫我指出其中一些理解不正確的地方，在這裏小弟將萬分感謝。呵呵。
volatile和restrict這兩個類型限定詞的運用與編譯器的優化存在著一定的關系。volatile這個關鍵字用在變量類型定義上，指明這個變量的值存在不確定因素。也就是說這個變量不光會被我們編寫的程序改變值，也可能會被某個外部代理改變（比如：某個硬件中斷、外部程序等）。這樣就不能保證如果程序沒有改變這個變量值，而又存在多次調用後進入寄存器中的值就一定正確。
從編譯器的優化角度，舉個例子：
int x=5;
int a, b;
a = x;
b = x;
由於程序沒有更改X的值，但又存在多次調用，編譯器為了優化運行速度，會給a賦值後，把X的值5從內存放入到寄存器中。當給b賦值時，不是再次讀取X內存地址中的值，而是直接把寄存器中的5賦給b。這一優化對於普通變量沒有問題。但如果定義成
volatile int
x;則表明x可以被程序代碼外的其他代理改變值。如果編譯器也采用這樣的優化，很可能在給b賦值時，x的值已經被程序外部的某個硬件中斷改變了。這樣從寄存器獲取到的值肯定是不正確的。
因此當給變量加上volatile關鍵字，除了表示這一變量可以被其他代理改變值，也明確說明編譯器不能為此變量進行上面那種方式的優化：每次調用這一變量，都從變量的地址中獲取值，而不是寄存器（此變量使用的硬件內存地址是與其他並行運行的程序共享數據的，因此不管是程序自身改變變量值，還是其他代理改變變量值，都是改變內存地址中的數據）。
看個有趣的例子：
int square(volatile int *a)
{
return (*a * *a);
}
函數的目的本來是計算平方根，但由於a指針用了volatile關鍵字，兩次獲取a指針地址中的值不能完全保證一樣，所以計算出來的結果也未必就是我們需要的。考慮修改成這樣：
int square(volatile int *a)
{
int temp = *a;
return (temp * temp);
}
restrict關鍵字只能用來修飾指針，表示被定義的指針是訪問指針中數據的唯一途徑。這一目的是告訴編譯器可以進行一些優化。看個例子：
int x = 2;
int *a = (int *) malloc(sizeof(int));
*a = 2;
int *b = &x;
*a += 2;
*b += 2;
x *= 3;
*a += 3;
*b += 3;
編譯器進行優化時可以用一條語句代替：*a += 5;這對於a來說是正確的，但如果用*b +=
5來優化b是不正確的。因為其他變量影響了結果。因此，當編譯器不確定某些因素時，會放棄尋找某個途徑進行優化。如果在變量前加上restrict關鍵字。則告訴編譯器可以“放心大膽”的進行優化。但編譯器並不會驗證你定義為restrict的指針，是否真正是某個數據的唯一訪問途徑；就像數組的下標越界一樣，如果你不遵守規則，編譯器並不會指出錯誤，但後果由你自己負責：）
同樣看個有趣的類子：
void change_array(restrict int *array, const restrict int *value,const int size)
{
for(int i=0;i<size;i++)
{
array[i] += *value;
}
}
int main(void)
{
int *array[SIZE] = {1,2,3};
change_array(array,&array[0],SIZE);
for(int i=0;i<SIZE;i++)
{
printf("%d \n",array[i]);
}
}
如果編譯器支持優化，運行後的結果是：2 3 4 而不是實際正確的結果：2 4 5
。這是在定義函數時，指明兩個指針為restrict，因此編譯器進行優化了：在程序調用函數時，將value指針的變量值在寄存器中生成了一個副本。後面的執行都是獲取寄存器上的value值。同時可以看出，當你沒有遵守restrict定義的指針指向的變量只能通過該指針修改的規則時（函數中
value指針指向的數據，在main調用時，array指針也進行了修改），編譯器不會檢查。
對於優化來說，volatile是強制性，而restrict是建議性。也就是加了volatile則強制不進行優化，而加入restrict編譯器也不一定肯定優化。大部分情況下restrict和什麽都不加編譯結果相同，restrict只是告訴編譯器可以自由地做一些相關優化的假定。同時也告訴調用者僅使用滿足restrict定義條件的參數，如果你不遵守，嘿嘿。。。
restrict這個關鍵字是C99標準加入，在C++中不支持，因此我在VC++中加入restrict關鍵字編譯不了：（
關於restrict的加入，在網上還找到一段小故事：
為了提高 Cray機器上的效率, ANSI
C委員會提出過一種稱為noalias的機制來解決這個問題，用它來說明某個C指針可以認為是沒有別名, 只是這種機制不成熟，這件事激怒了Dennis
Ritchie，拿他對C的標準化過程做了唯一的一次幹預。他寫了一封公開信說“noalias必須靠邊站，這一點是不能協商的。”
後來Cray的Mike
Holly又抓起了這個難題，向數值C語言擴充工作組和C++委員會提出了一種改進的反別名建議。所建議的想法是允許程序員說明一個指針可以認為是沒有別名的，采用的方式是將它說明為restrict。 這個建議C99采納了，但標準C++拒絕了。
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