assembly - cltq 在汇编中做了什么？

Question

0x0000000000400553 <main+59>:   mov    -0x4(%rbp),%eax
0x0000000000400556 <main+62>:   cltq   
0x0000000000400558 <main+64>:   shl    $0x3,%rax
0x000000000040055c <main+68>:   mov    %rax,%rdx

事实上，我的程序很简单：

5   int main(int argc, char *argv[]) { 
6     int i = 0;
7     while(environ[i]) {
8       printf("%s\n", environ[i++]);
9     }
10    return 0;

但是汇编输出很长：

Dump of assembler code for function main:
0x0000000000400518 <main+0>:    push   %rbp
0x0000000000400519 <main+1>:    mov    %rsp,%rbp
0x000000000040051c <main+4>:    sub    $0x20,%rsp
0x0000000000400520 <main+8>:    mov    %edi,-0x14(%rbp)
0x0000000000400523 <main+11>:   mov    %rsi,-0x20(%rbp)
0x0000000000400527 <main+15>:   movl   $0x0,-0x4(%rbp)
0x000000000040052e <main+22>:   jmp    0x400553 <main+59>
0x0000000000400530 <main+24>:   mov    -0x4(%rbp),%eax
0x0000000000400533 <main+27>:   cltq   
0x0000000000400535 <main+29>:   shl    $0x3,%rax
0x0000000000400539 <main+33>:   mov    %rax,%rdx
0x000000000040053c <main+36>:   mov    0x2003e5(%rip),%rax        # 0x600928 <environ@@GLIBC_2.2.5>
0x0000000000400543 <main+43>:   lea    (%rdx,%rax,1),%rax
0x0000000000400547 <main+47>:   mov    (%rax),%rdi
0x000000000040054a <main+50>:   addl   $0x1,-0x4(%rbp)
0x000000000040054e <main+54>:   callq  0x400418 <puts@plt>
0x0000000000400553 <main+59>:   mov    -0x4(%rbp),%eax
0x0000000000400556 <main+62>:   cltq   
0x0000000000400558 <main+64>:   shl    $0x3,%rax
0x000000000040055c <main+68>:   mov    %rax,%rdx
0x000000000040055f <main+71>:   mov    0x2003c2(%rip),%rax        # 0x600928 <environ@@GLIBC_2.2.5>
0x0000000000400566 <main+78>:   lea    (%rdx,%rax,1),%rax
0x000000000040056a <main+82>:   mov    (%rax),%rax
0x000000000040056d <main+85>:   test   %rax,%rax
0x0000000000400570 <main+88>:   jne    0x400530 <main+24>
0x0000000000400572 <main+90>:   mov    $0x0,%eax
0x0000000000400577 <main+95>:   leaveq 
0x0000000000400578 <main+96>:   retq   
End of assembler dump.

我不明白的是这个块：

0x000000000040052e <main+22>:   jmp    0x400553 <main+59>
0x0000000000400530 <main+24>:   mov    -0x4(%rbp),%eax
0x0000000000400533 <main+27>:   cltq   
0x0000000000400535 <main+29>:   shl    $0x3,%rax
0x0000000000400539 <main+33>:   mov    %rax,%rdx
0x000000000040053c <main+36>:   mov    0x2003e5(%rip),%rax        # 0x600928 <environ@@GLIBC_2.2.5>
0x0000000000400543 <main+43>:   lea    (%rdx,%rax,1),%rax
0x0000000000400547 <main+47>:   mov    (%rax),%rdi
0x000000000040054a <main+50>:   addl   $0x1,-0x4(%rbp)
0x000000000040054e <main+54>:   callq  0x400418 <puts@plt>
0x0000000000400553 <main+59>:   mov    -0x4(%rbp),%eax
0x0000000000400556 <main+62>:   cltq   
0x0000000000400558 <main+64>:   shl    $0x3,%rax
0x000000000040055c <main+68>:   mov    %rax,%rdx
0x000000000040055f <main+71>:   mov    0x2003c2(%rip),%rax        # 0x600928 <environ@@GLIBC_2.2.5>
0x0000000000400566 <main+78>:   lea    (%rdx,%rax,1),%rax
0x000000000040056a <main+82>:   mov    (%rax),%rax
0x000000000040056d <main+85>:   test   %rax,%rax
0x0000000000400570 <main+88>:   jne    0x400530 <main+24>

score 37 · Accepted Answer

助记符

cltq是gas英特尔的助记符，cdqe记录在：https ://sourceware.org/binutils/docs/as/i386_002dMnemonics.html

助记符是：

将 Long 转换为 Quad ( cltq)：AT&T 风格
将 Double 转换为 Quad Extend ( cdqe)：英特尔

术语：

quad（又名四字）== 8 个字节
long (AT&T) == 双字 (Intel) == 4 字节

这是 GAS 名称与 Intel 版本有很大不同的少数指令之一。as接受任一助记符，但像 NASM 这样的 Intel 语法汇编器可能只接受 Intel 名称。

影响

它符号将 4 个字节扩展为 8 个字节，这在 2 的补码中意味着：

负数，高 4 个字节的位必须设置为 1
正数，它们必须设置为 0

在 C 中，这通常表示从 signedint到的转换long。

例子：

mov $0123456700000001, %rax  # eax=1, high bytes of rax=garbage
cltq
# %rax == $0000 0000 0000 0001

mov $-1, %eax   # %rax = 0000 0000 FFFF FFFF
cltq
# %rax == $FFFF FFFF FFFF FFFF == qword $-1

该指令仅适用于 64 位。

还要考虑以下说明：

CWDE(AT&T CWTL), CBW(AT&T CBTW): 的较小版本CDQE，也存在于 32 位
CQO家庭，标志延伸RAX到RDX:RAX
MOVSX家庭，符号延伸和移动：movsbl指令做什么？

GitHub 上带有断言的最小可运行示例：

CWDE和CWTL
CDQE和CLTQ

C 示例

GCC 4.9.3 发出它：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char **argv) {
    int i = strtol(argv[1], (char **)NULL, 16);;
    long int l = i;
    printf("%lx\n", l);
}

编译和反汇编：

gcc -ggdb3 -std=c99 -O0 a.c
objdump -S a.out

包含：

    int main(int argc, char **argv) {
  ...
    long int l2 = i;
  400545:       8b 45 fc                mov    -0x4(%rbp),%eax
  400548:       48 98                   cltq   
  40054a:       48 89 45 f0             mov    %rax,-0x10(%rbp)

行为是：

$ ./a.out 0x80000000
ffffffff80000000
$ ./a.out 0x40000000
40000000

score 22 · Accepted Answer

cltq 将 int 提升为 int64。shl 3, %rax 对 64 位指针进行偏移（将 rax 中的任何内容乘以 8）。代码所做的是循环遍历指向环境变量的指针列表。当它找到一个零值时，这就是结束，它退出循环。

这是 Linux 如何将环境变量存储在堆栈上方的 RAM 中的视觉效果。您将看到从 0xbffff75c 开始的指针；指向 0xbffff893，“TERM=rxvt”。

jcomeau@intrepid:/tmp$ gdb test
GNU gdb (GDB) 7.2-debian
Copyright (C) 2010 Free Software Foundation, Inc.
License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <http://gnu.org/licenses/gpl.html>
This is free software: you are free to change and redistribute it.
There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.  Type "show copying"
and "show warranty" for details.
This GDB was configured as "i486-linux-gnu".
For bug reporting instructions, please see:
<http://www.gnu.org/software/gdb/bugs/>...
Reading symbols from /tmp/test...(no debugging symbols found)...done.
(gdb) break main
Breakpoint 1 at 0x80483e7
(gdb) run
Starting program: /tmp/test 

Breakpoint 1, 0x080483e7 in main ()
(gdb) info reg
eax            0xbffff754   -1073744044
ecx            0xe88ed1c    243854620
edx            0x1  1
ebx            0xb7fc5ff4   -1208197132
esp            0xbffff6a8   0xbffff6a8
ebp            0xbffff6a8   0xbffff6a8
esi            0x0  0
edi            0x0  0
eip            0x80483e7    0x80483e7 <main+3>
eflags         0x200246 [ PF ZF IF ID ]
cs             0x73 115
ss             0x7b 123
ds             0x7b 123
es             0x7b 123
fs             0x0  0
gs             0x33 51
(gdb) x/160x 0xbffff6a8
0xbffff6a8: 0xbffff728  0xb7e86e46  0x00000001  0xbffff754
0xbffff6b8: 0xbffff75c  0xb7fe2940  0xb7ff7351  0xffffffff
0xbffff6c8: 0xb7ffeff4  0x08048254  0x00000001  0xbffff710
0xbffff6d8: 0xb7ff0976  0xb7fffac0  0xb7fe2c38  0xb7fc5ff4
0xbffff6e8: 0x00000000  0x00000000  0xbffff728  0x21b99b0c
0xbffff6f8: 0x0e88ed1c  0x00000000  0x00000000  0x00000000
0xbffff708: 0x00000001  0x08048330  0x00000000  0xb7ff64f0
0xbffff718: 0xb7e86d6b  0xb7ffeff4  0x00000001  0x08048330
0xbffff728: 0x00000000  0x08048351  0x080483e4  0x00000001
0xbffff738: 0xbffff754  0x08048440  0x08048430  0xb7ff12f0
0xbffff748: 0xbffff74c  0xb7fff908  0x00000001  0xbffff889
0xbffff758: 0x00000000  0xbffff893  0xbffff89d  0xbffff8ad
0xbffff768: 0xbffff8fd  0xbffff90c  0xbffff91c  0xbffff92d
0xbffff778: 0xbffff93a  0xbffff94d  0xbffff97a  0xbffffe6a
0xbffff788: 0xbffffe75  0xbffffef7  0xbfffff0e  0xbfffff1d
0xbffff798: 0xbfffff26  0xbfffff30  0xbfffff41  0xbfffff6a
0xbffff7a8: 0xbfffff73  0xbfffff8a  0xbfffff9d  0xbfffffa5
0xbffff7b8: 0xbfffffbc  0xbfffffcc  0xbfffffdf  0x00000000
0xbffff7c8: 0x00000020  0xffffe420  0x00000021  0xffffe000
0xbffff7d8: 0x00000010  0x078bfbff  0x00000006  0x00001000
0xbffff7e8: 0x00000011  0x00000064  0x00000003  0x08048034
0xbffff7f8: 0x00000004  0x00000020  0x00000005  0x00000008
0xbffff808: 0x00000007  0xb7fe3000  0x00000008  0x00000000
---Type <return> to continue, or q <return> to quit---
0xbffff818: 0x00000009  0x08048330  0x0000000b  0x000003e8
0xbffff828: 0x0000000c  0x000003e8  0x0000000d  0x000003e8
0xbffff838: 0x0000000e  0x000003e8  0x00000017  0x00000000
0xbffff848: 0x00000019  0xbffff86b  0x0000001f  0xbffffff2
0xbffff858: 0x0000000f  0xbffff87b  0x00000000  0x00000000
0xbffff868: 0x50000000  0x7d410985  0x1539ef2a  0x7a3f5e9a
0xbffff878: 0x6964fe17  0x00363836  0x00000000  0x00000000
0xbffff888: 0x6d742f00  0x65742f70  0x54007473  0x3d4d5245
0xbffff898: 0x74767872  0x45485300  0x2f3d4c4c  0x2f6e6962
0xbffff8a8: 0x68736162  0x47445800  0x5345535f  0x4e4f4953
0xbffff8b8: 0x4f4f435f  0x3d45494b  0x37303534  0x66656135
0xbffff8c8: 0x32353131  0x63346334  0x30393436  0x35386331
0xbffff8d8: 0x39346134  0x37316135  0x3033312d  0x31383339
0xbffff8e8: 0x2e303736  0x31303832  0x382d3033  0x33323731
0xbffff8f8: 0x39373936  0x53494800  0x5a495354  0x30313d45
0xbffff908: 0x00303030  0x48535548  0x49474f4c  0x41463d4e
0xbffff918: 0x0045534c  0x444e4957  0x4449574f  0x3833383d
(gdb) x/20s 0xbffff888
0xbffff888:  ""
0xbffff889:  "/tmp/test"
0xbffff893:  "TERM=rxvt"
0xbffff89d:  "SHELL=/bin/bash"
0xbffff8ad:  "XDG_SESSION_COOKIE=45075aef11524c4c64901c854a495a17-1309381670.280130-817236979"
0xbffff8fd:  "HISTSIZE=10000"
0xbffff90c:  "HUSHLOGIN=FALSE"
0xbffff91c:  "WINDOWID=8388614"
0xbffff92d:  "USER=jcomeau"
0xbffff93a:  "HISTFILESIZE=10000"
0xbffff94d:  "LD_LIBRARY_PATH=/usr/src/jet/lib/x86/shared:"
0xbffff97a:  "LS_COLORS=rs=0:di=01;34:ln=01;36:mh=00:pi=40;33:so=01;35:do=01;35:bd=40;33;01:cd=40;33;01:or=40;31;01:su=37;41:sg=30;43:ca=30;41:tw=30;42:ow=34;42:st=37;44:ex=01;32:*.tar=01;31:*.tgz=01;31:*.arj=01;31"...
0xbffffa42:  ":*.taz=01;31:*.lzh=01;31:*.lzma=01;31:*.tlz=01;31:*.txz=01;31:*.zip=01;31:*.z=01;31:*.Z=01;31:*.dz=01;31:*.gz=01;31:*.lz=01;31:*.xz=01;31:*.bz2=01;31:*.bz=01;31:*.tbz=01;31:*.tbz2=01;31:*.tz=01;31:*.d"...
0xbffffb0a:  "eb=01;31:*.rpm=01;31:*.jar=01;31:*.rar=01;31:*.ace=01;31:*.zoo=01;31:*.cpio=01;31:*.7z=01;31:*.rz=01;31:*.jpg=01;35:*.jpeg=01;35:*.gif=01;35:*.bmp=01;35:*.pbm=01;35:*.pgm=01;35:*.ppm=01;35:*.tga=01;35"...
0xbffffbd2:  ":*.xbm=01;35:*.xpm=01;35:*.tif=01;35:*.tiff=01;35:*.png=01;35:*.svg=01;35:*.svgz=01;35:*.mng=01;35:*.pcx=01;35:*.mov=01;35:*.mpg=01;35:*.mpeg=---Type <return> to continue, or q <return> to quit---
01;35:*.m2v=01;35:*.mkv=01;35:*.ogm=01;35:*.mp4=01;35:*.m4"...
0xbffffc9a:  "v=01;35:*.mp4v=01;35:*.vob=01;35:*.qt=01;35:*.nuv=01;35:*.wmv=01;35:*.asf=01;35:*.rm=01;35:*.rmvb=01;35:*.flc=01;35:*.avi=01;35:*.fli=01;35:*.flv=01;35:*.gl=01;35:*.dl=01;35:*.xcf=01;35:*.xwd=01;35:*."...
0xbffffd62:  "yuv=01;35:*.cgm=01;35:*.emf=01;35:*.axv=01;35:*.anx=01;35:*.ogv=01;35:*.ogx=01;35:*.aac=00;36:*.au=00;36:*.flac=00;36:*.mid=00;36:*.midi=00;36:*.mka=00;36:*.mp3=00;36:*.mpc=00;36:*.ogg=00;36:*.ra=00;3"...
0xbffffe2a:  "6:*.wav=00;36:*.axa=00;36:*.oga=00;36:*.spx=00;36:*.xspf=00;36:"
0xbffffe6a:  "COLUMNS=80"
0xbffffe75:  "PATH=/usr/src/jet/bin:/usr/local/bin:/usr/bin:/bin:/usr/games:/home/jcomeau:/home/jcomeau/bin:/home/jcomeau/src:/sbin:/usr/sbin:."
(gdb) quit
A debugging session is active.

    Inferior 1 [process 10880] will be killed.

Quit anyway? (y or n) y

您的编译器显然足够聪明，可以将简单格式化printf为puts. 环境字符串的获取和 i 的后增量都在代码中。如果您不自己弄清楚其中的一些，您将永远不会真正理解它。只需“成为”计算机，并使用我通过 gdb 为您转储的数据逐步完成循环，您应该会明白一切。

score 10 · Accepted Answer

cltq是CDQE的 AT&T 助记符，它将 EAX 符号扩展为 RAX。它是的缩写形式movslq %eax, %rax，可节省代码字节。它的存在是因为 x86-64 如何从 8086 发展到 386 再到 AMD64。

它将 EAX 的符号位复制到更宽寄存器的所有高位，因为这就是 2 的补码的工作方式。助记符是 Convert Long to Quad 的缩写。

AT&T 语法（由 GNU as/objdump使用）在某些指令中使用与 Intel 不同的助记符（参见官方文档）。您可以使用objdump -drwC -Mintel或gcc -masm=intel -S使用 Intel 和 AMD 在其说明参考手册中记录的助记符获取 Intel 语法（请参阅x86标签 wiki 中的链接。（有趣的事实：作为输入，gas 在任一模式下都接受任一助记符）。

machine    mnemonics:                MOVSX equivalent
code         AT&T    Intel           AT&T               Intel

 66 98       cbtw    cbw             movsbw %al,%ax     movsx  ax,al
 98          cwtl    cwde            movswl %ax,%eax    movsx  eax,ax
 48 98       cltq    cdqe            movslq %eax,%rax   movsxd rax,eax

这 3 个 insn 的 Intel insn ref 手动条目。

cltq/cdqe显然只在 64 位模式下可用，但其他两个在所有模式下都可用。 movsx并且movzx仅在 386 中引入，使得对除al/以外的寄存器ax进行符号/零扩展或在加载时动态符号/零扩展变得容易/高效。

将cltq/cdqe视为movslq %eax,%rax. 它运行速度一样快。但唯一的好处是节省了几个字节的代码，因此不值得牺牲其他任何东西来使用它而不是 movsxd/ movzx。

一组相关的指令将 [e/r]ax 的符号位复制到 [e/r]dx 的所有位中。 符号扩展eaxintoedx:eaxidiv在之前或仅在返回一对寄存器中的宽整数之前很有用。

             AT&T   /  Intel  mnemonic                 effect
 66 99       cwtd      cwd     word->doubleword        dx = signbit(ax)
 99          cltd      cdq     doubleword->quadword   edx = signbit(eax)
 48 99       cqto      cqo     quadword->octword      rdx = signbit(rax)

这些没有等效的单指令，但您可以在两条指令中执行它们：
例如mov %eax, %edx/sar $31, %edx

记住助记符

除了原来的 8086 之外，Intel 的 Extending insiderax都以结尾。您可以记住这种情况，因为即使 8086 在单个寄存器中处理 16 位整数，所以不需要设置. 并从而不是从读取股息。所以符号扩展到.ecbwdlaldiv r8idiv r8axdl:alcbwalax

AT&T 助记符没有明显的提示来帮助您记住哪个是哪个。一些以(for dx?)*dx结尾而不是通常的 for结尾的。打破了这种模式，但八字是 128b，因此必须是.dllongcqtordx:rax

IMO 英特尔助记符更容易记住，而英特尔语法通常更容易阅读。（我首先学习了 AT&T 语法，但后来习惯了 Intel，因为阅读 Intel/AMD 手册很有用！）

请注意，对于零扩展，mov %edi,%edi零扩展%edi为%rdi，因为任何对 32 位寄存器的写入都会将高 32 位归零。

（在实践中，尝试mov使用不同的寄存器（例如mov %eax, %ecx），因为same,same 在 Intel CPU 中会破坏 mov-elimination。您经常会看到编译器生成的 asm 用于具有 32 位无符号参数的函数使用 amov到零扩展，不幸的是经常使用与 src 和目标相同的寄存器。）

对于 8 或 16 到 32（隐含 64），and $0xff, %eax可以工作，但效率低于movzbl %al, %eax. $0xff不适合 8 位符号扩展立即数，因此它需要一个完整的 4 字节0x000000ff立即数。（或者更好，movzbl %al, %ecx因此 mov-elimination 可以使其在 mov-elimination 适用于movzx8->32 的 Intel CPU 上实现零延迟。）。

score 9 · Accepted Answer

如果你的操作系统是 64 位，如果你没有声明一个函数驻留在另一个文件中，但你想在这个文件中使用它。GCC 会默认认为这个函数是 32 位的。所以 cltq 将只使用 RAX 的低 32 位（返回值），高 32 位将填写 1 或 0。希望这个网站对您有所帮助 http://www.mystone7.com/2012/05/23/cltq/

assembly - cltq 在汇编中做了什么？

4 回答 4

Related

Reference