计算机系统基础笔记（12）——控制

前言

在持续输出ing

一、条件码

1.处理器状态（x86-64，部分的）

• 当前程序的执行信息
  ◼ 临时数据
  ◼ 运行时栈的位置（栈顶）
  ◼ 当前代码控制点的位置（即将要执行的指令地址）
  ◼ 最近一次指令执行的状态
  

2.条件码（隐式设置)

• 简单的位寄存器
  条件码（隐式设置）
  CF 进位标志（无符号数）
  SF 符号标志（有符号数）
  ZF 零标志
  OF 溢出标志（有符号数）
• 通过算术运算可以隐式设置条件码（可以把它看做是运算的副作用）
  ◼ 例如： addq Src,Dest ↔ t = a+b
  ◼ CF 被置位，如果运算时出现了超出最高位的进位（无符号数运算溢出）
  ◼ ZF 被置位，如果 t ==0
  ◼ SF 被置位，如果 t<0 （看做是有符号数）
  ◼ OF 被置位，如果有符号数运算出现了溢出
  (a>0 && b>0 && t<0) || (a<0 && b<0 && t>=0)

3.条件码（显式设置：比较指令）

• 通过比较指令可以显式设置条件码
  Explicit Setting by Compare Instruction
• cmpq Src2, Src1
• cmpq b,a 这条指令和a-b的作用类似，但不需要将结果写入目标寄存器
  ◼ CF 被置位，如果运算时出现了超出最高位的借位（用于无符号数比较）
  ◼ ZF 被置位，如果 a == b
  ◼ SF 被置位，如果 (a-b) < 0 （看做是有符号数）
  ◼ OF 被置位，如果有符号数运算出现了溢出
  (a>0 && b<0 && (a-b)<0) || (a<0 && b>0 && (a-b)>0)

3.条件码（显式设置：测试指令）

• 通过测试指令也可以显式设置条件码
• testq Src2, Src1
  ◼ testq b,a 这条指令和a&b的作用类似，但不需要将结果写入目标寄存器
  ◼ 根据 Src1&Src2 的结果设置条件码
  ◼ 用于对一个操作数的某几个位进行掩码检测
  ◼ ZF 被置位，当 a&b == 0
  ◼ SF 被置位，如果 (a&b) < 0

4.读取条件码

• SetX指令
  ◼ 根据条件码表达式将目标寄存器的最后一个字节修改为0或1
  ◼ 不会影响目标寄存器最高7个字节的值

5.x86-64 各寄存器中最后一个字节的名称

6.读取条件码

• 在x86-64指令集中，32位操作指令 会将目标寄存器的高32位清0
  

二、条件分支

1.跳转

• jX指令
  ◼根据条件码跳转到代码的其他位置执行
  
  
  这是机器指令与汇编代码的对应
  
• 生成汇编代码

gcc –Og -S –fno-if-conversion control.c

2.使用goto语句等价表示

• 语言允许使用goto语句
  ◼ 跳转至标签所在位置的语句继续执行
  
  

3.条件表达式的翻译（使用分支）

• 为Then和Else表达式创建独立的代码块
• 根据条件选择合适的一个代码块并执行
  
  

4. 使用条件数据移动指令

• 条件数据移动指令
  ◼ 指令的功能：if (Test) Dest Src
  ◼ 1995年后的x86处理器开始支持
  • GCC在编译时会尝试使用这个指令翻译条件分支
    ◼ 仅当保证逻辑安全的时候使用
• 为什么使用条件数据移动指令？
  ◼ 分支会破坏流水线的指令流，影像处理器性能
  ◼ 条件数据移动指令不需要改变控制流
  

5.流水线

• 最多可以有三条指令同时执行
  

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下面是例子
这是C代码

这是寄存器存储的值

6.不能使用条件数据移动指令的情况

• 大量的计算
  ◼ 条件数据移动指令会将所有的结果提前计算出来
  ◼ 只有计算都非常简单的时候，使用条件数据移动指令才会有意义
  

• 存在风险的计算
  ◼ 可能导致程序出错
  

• 有副作用的计算
  

三、循环

1.Do-While循环

• 计算x编码中“1” 的个数
• 使用条件分支决定继续或退出循环
  C代码
  
  goto版本
  
  翻译后
  汇编为
  

寄存器里的值为

Do-While循环通用的翻译方式

• C代码
  

• Goto

• 先执行 如果满足条件继续循环
  

2.while循环

While循环通用的翻译方式（1）

• “跳转到中间”翻译方法
• 使用 –Og 编译优化选
  C代码
  
  可以看到下面汇编代码里面执行到最后
  如果满足条件那么就跳转到中间
  与 do-while 循环相比，循环开始
  前先跳转至循环条件检测的位置（注意第一行 gototest!!!）

While循环通用的翻译方式（2）

dowhile法

先翻译成dowhile

再依据dowhile的版本翻译Goto版本

3.for循环

for循环的通用翻译方式

“For” Loop → While Loop → Goto

while

dowhile

goto

四、switch语句

会考的
以下面的switch语句为例
我们可以看到

• 多个case （5 & 6）共用同一语句块
• Case2贯穿
• Case4缺失（case值不连续）

1.跳转表

• 用作switch语句翻译的一个表
• switch语句的通用翻译如下
  
  注意这个goto 语句 后面接的是跳转表
  

1.跳转表的结构

• 基地址是 .L4
• 每个跳转目标需要8个字节（指向目标语句块的地址）
  

• 这是跳转表里跳转目标对应的语句块
  

2.直接跳转

• jmp .L8
  直接跳转至.L8标签所指向地址的指令

3.间接跳转

• jmp *.L4(,%rdi,8)
  • 跳转表起始地址.L4（跟那个存储器寻址可以类比一下）
  • 缩放因子必须是8的整倍数（每个地址是8个字节）
  • 从地址 .L4 + x*8 处获得跳转目标的位置
    • 仅限于 0 ≤ x ≤ 6的情况

4.分析跳转表（例子分析）

给一段switch语句

汇编代码为

跳转表如下

• 跳转表与switch语句对应关系如图

（1）正常情况 x==1

对应的汇编代码以及寄存器的值对应如下图

（2）代码块贯穿 x= =2 x= =3(无break）

对应C代码应该为
汇编代码为（可以看到执行完case2就执行case3里面的代码 w+=z）

（3）缺省 x= =5 x= =6（共用一个代码块）

汇编代码也是共用一块

（4）没有从0开始的情况

汇编代码还是会处理成从0开始

（5）稀疏的switch语句

• 将翻译为二分查找的语句 O(log n)
• 而不是退化为 if-elseif-elseif-else O(n)