【汇编】思考汇编中的两个基本问题

1. 若干年前的疑问

几年前还在大学学习汇编时，不管是考试还是课程设计，其实都很顺利。但是心里一直对什么时候使用哪个寄存器存在疑惑，编写汇编时，没有十足的把握，都是抱着试一试的心态去完成了课程任务。

工作八年有余，已走在向linux内核进发的路上。在学习linux内核之前，心里存有一些侥幸，认为汇编可以跳过去。别人封装好，只管使用即可，反正自己又不一定写。在学习过程中，涉及到汇编的部分都是大致看一下设计思路。但是逐渐地，跳过的细节越来越多，导致书慢慢的越来越看不懂了。问题积少成多，窟窿越来越大，量变产生了质变。

汇编中的指令还是挺好理解的，就是一些功能函数，我相信大多数人理解起来问题都不大。

我认为汇编中最大的问题在于寄存器和内存的使用。CPU中寄存器的数量有限，引发了两个问题：

1. 何时该用哪个寄存器
2. 哪些数据存在寄存器哪些放在内存

这两个问题一直困扰着我，由于工作中用汇编比较少，所以这个问题一直没有得到深入地思考和解决。今天我们就尝试解决这两个汇编问题。

2. 汇编指令与高级语言中函数的相同点和不同点

我们直入主题，汇编指令与高级语言中函数的相同点是：

• 汇编指令和函数一样，都是为了完成某个操作的功能单元，他们都有输入和输出，说白了，你可以把汇编指令也看成是一种函数。

不同点是：

• 单个汇编指令不能嵌套调用，可以组合调用；成对搭配的汇编指令，可以嵌套调用，比如CALL和RET。
• 单个函数可以嵌套调用，也可以组合调用

3. 单个指令的“独占性原理”

寄存器的个数是很有限的，但是指令确有很多很多，寄存器够用吗？

答案是，对单个指令来说，肯定是够用的。因为单个指令不能嵌套，所以我们可以确定，一个指令在被CPU核执行的时候，是“独占”所有它可以操作的寄存器的，因为此刻一个CPU核中不会有其他指令执行。这样一来，我们可以确定，对一条指令来说，寄存器虽然很少，但肯定是足够的。CPU厂家在设计指令时，不会设计使用超额寄存器数量的指令。

单条指令的“独占性原理”，保证了CPU中即使只有有限数量的寄存器，也能正确执行任何单个指令。

4. 多指令协同与优化

从单个指令执行过程看，单个指令执行有“独占性原理”。

从多个指令执行过程看，寄存器还能够用吗？设想一下，如果前一个指令执行后，有很多重要的数据存在于寄存器中保存，而当前的指令又需要独占寄存器，很有可能会把存在于寄存器中重要的数据给“覆盖”、“破坏”了，从而导致重要数据丢失。这种情形下，程序将无法正确执行。出现这种问题的根本原因还是在于寄存器数量有限，如果寄存器数量很多很多，那么只要合理分配和释放，数据就不会被覆盖。

所以，在多指令角度，因为寄存器数量有限，又出现了新的问题。怎么解决这个问题呢？

通过将下一条指令需要的数据留在寄存器中，将下一条指令不需要的数据放到内存中，这个问题迎刃而解。下一条指令需要的数据，其实就是指令的输入参数。前后指令配合的过程，我起个名字，叫“多指令协同”。

其实把下一条指令的输入参数留下，不需要的数据放入内存，是一种简单粗暴的做法。细想之下，如果寄存器数量还有空余，其实可以多留一些数据在寄存器中，给下下条指令，下n条指令传参，这样可以减少内存的访问，提高执行效率。但是这种预留是不确定的，是动态的，是具体的，必须根据具体的指令，使用的参数个数，返回值个数，进行专门优化。这个过程，我称之为“多指令协同优化”。

在编译高级语言的过程中，编译器会在生成汇编语言时，根据编译参数，自动进行优化。在编译程序时，不同的编译优化等级，优化的算法和力度是不同的。如果考虑上CPU的多级缓存，其实优化过程还是很复杂的。这里我们暂时不做深入研究。

5. 汇编编程套路

工作做到最后，都是套路。套路换一个词，就是经验。如何能够把汇编程序写得又快又好，那就需要学习套路。

我们上面说了，当写多条指令的时候需要注意优化寄存器和内存的使用。这个优化太自由了，你可以这么优化，我可以那么优化，自由的东西一定程度上，是没有标准没有把握的东西。我们平时写代码，如何更多的关注于业务呢？这里讲一种方法。

程序都是由一小块一小块功能模块的代码组成的，汇编也是一样。汇编程序是由很多汇编代码段组成的。这里用代码段来讲，而不是用函数来讲，是因为函数也有可能是由几个代码段组成。所以代码段是比函数更小的代码模块。

有了代码段的概念之后，我们可以把“指令独占性原理”，扩展到代码段，变成“汇编代码段独占性原理”。我们可以认为一个代码段执行过程中，独占所有寄存器，代码段执行完成后，可以通过某几个寄存器向接下来的代码段传递参数，剩下的寄存器，默认将成为空闲寄存器，里面的数据可以被覆盖。如果有的寄存器需要延长生命期，可以把寄存器中的数据保存到内存中，从而将寄存器释放出来。

这样，下一个代码段也将独占所有寄存器。这样就不用时刻担心，这个寄存器能不能用，会不会覆盖已有的数据了。

本质上，这是通过控制作用域与生命期，来调整软件架构的方法，这个方法在编程中很常用。

6. 结论

通过一步步推导“单指令独占性”原理，“多指令协同”，“多指令协同优化”，“汇编编程套路-代码段独占性原理”，可以很好的解答本文开始提出来的疑问。寄存器，内存的使用是有章可循的，大致的原则和方法要心中有数，才能算是对汇编有一定的掌握，编写或者阅读代码时，才能更有信心。

我的学习习惯就是这样，基本的思路逻辑必须先梳理清晰，而不是一头扎进细节里。重要的细节，我在后面的文章中会进行专门探讨。