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查看C语言/C++编译器生成的汇编语言代码

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长久以来,C 和 C++ 编译器都会生成汇编语言源代码,但是程序员通常看不到。这是因为,汇编语言代码只是产生可执行文件过程的一个中间步骤。幸运的是,大多数编译器都可以应要求生成汇编语言源代码文件。 例如,下表列出了 Visual Studio 控制汇编源代码输出的命令行选项。

命令行 列表文件内容
/FA 仅汇编文件
/FAc 汇编文件与机器码
/FAs 汇编文件与源代码
/FAcs 汇编文件、机器码和源代码

检查编译器生成的代码文件有助于理解底层信息,比如堆栈帧结构、循环和逻辑编码,并且还有可能找到低级编程错误。另一个好处是更加便于发现不同编译器生成代码的差异。

现在来看看 C++ 编译器生成优化代码的一种方法。由于是第一个例子,因此先编写一个简单的 C 方法 Array Sum,并在 Visual Studio 2012 中进行编译,其设置如下:
  • Optimization=Disabled ( 使用调试器时需要 )
  • Favor Size or Speed=Favor fast code
  • Assembler Output=Assembly With Source Code

下面是用 ANSI C 编写的 arraysum 源代码:
int arraySum( int array[], int count )
{
    int i;
    int sum = 0;
    for(i = 0; i < count; i++)
        sum += array[i];
    return sum;
}
现在来查看由编译器生成的 arraysum 的汇编代码,如下所示。
_sum$ = -8        ; size = 4
_i$ = -4          ; size = 4
_array$ = 8       ; size = 4
_count$ = 12      ; size = 4
_arraySum PROC    ; COMDAT

;4    : {

    push ebp
    mov    ebp, esp
    sub    esp, 72    ; 00000048H
    push ebx
    push esi
    push edi

;5    : int i;
;6    : int sum = 0;

    mov DWORD PTR _sum$[ebp], 0

;7    :
;8    : for(i =    0; i < count; i++)

    mov DWORD PTR _i$[ebp], 0
    jmp SHORT $LN3@arraySum
$LN2@arraySum:
    mov eax, DWORD PTR _i$[ebp]
    add eax, 1
    mov DWORD PTR _i$[ebp], eax
$LN3@arraySum:
    mov eax, DWORD PTR _i$[ebp]
    cmp eax, DWORD PTR _count$[ebp]
    jge SHORT $LN1@arraySum

;9    : sum += array[i];

    mov eax, DWORD PTR _i$[ebp]
    mov ecx, DWORD PTR _array$[ebp]
    mov edx, DWORDPTR _sum$[ebp]
    add edx, DWORD PTR [ecx+eax*4]
    mov DWORD PTR _sum$[ebp], edx
    jmp SHORT $LN2@arraySum
$LNl@arraySum:

;10    :
;11    : return sum;

    mov eax, DWORD PTR _sum$[ebp]

;12    : }

    pop edi
    pop esi
    pop ebx
    mov esp, ebp
    pop ebp
    ret 0
_arraySum ENDP
1〜4 行定义了两个局部变量 (sum 和 i) 的负数偏移量,以及输入参数 array 和 count 的正数偏移量:

_sum$ = -8        ; size = 4
_i$ = -4              ; size = 4
_array$ = 8        ; size = 4
_count$ = 12     ; size = 4

9〜10 行设置 ESP 为帧指针:

push ebp
mov ebp,esp

之后,11〜14 行从 ESP 中减去 72,为局部变量预留堆栈空间。同时,把将会被函数修改的三个寄存器保存到堆栈。

sub esp, 72
push ebx
push esi
push edi

19 行把局部变量 sum 定位到堆栈帧,并将其初始化为 0。由于符号 _sum$ 定义为数值 -8,因此它就位于当前 EBP 下面 8 个字节的位置:

mov DWORD PTR _sum$[ebp],0

24 和 25 行将变量 i 初始化为 0,再转移到 30 行,跳过后面循环计数器递增的语句:

mov DWORD PTR _i$[ebp], 0
jmp SHORT $LN3@arraySum

26〜29 行标记循环开端以及循环计数器递增的位置。从 C 源代码来看,递增操作 (i++) 是在循环末尾执行,但是编译器却将这部分代码移到了循环顶部:

$LN2@arraySum:
    mov eax, DWORD PTR _i$[ebp]
    add eax, 1
    mov DWORD PTR _i$[ebp], eax

30〜33 行比较变量 i 和 count,如果 i 大于或等于 count,则跳岀循环:

$LN3@arraySum:
    mov eax, DWORD PTR _i$[ebp]
    cmp eax, DWORD PTR _count$[ebp]
    jge SHORT $LN1@arraySum

37〜41 行计算表达式 sum+=array[i]。Array[i] 复制到 ECX,sum 复制到 EDX,执行加法运算后,EDX 的内容再复制回 sum:

mov eax, DWORD PTR _i$[ebp]
mov ecx, DWORD PTR _array$[ebp]    ; array [i]
mov edx, DWORD PTR _sum$[ebp]      ; sum
add edx, DWORD PTR [ecx+eax*4]
mov DWORD PTR _sum$[ebp], edx

42 行将控制转回循环顶部:

jmp SHORT $LN2@arraySum

43 行的标号正好位于循环之外,该位置便于作为循环结束时进行跳转的目标地址:

$LN1@arraySum:

48 行将变量 sum 送入 EAX,准备返回主调程序。52〜56 行恢复之前被保存的寄存器,其中,ESP 必须指向主调程序在堆栈中的返回地址。

mov eax, DWORD PTR _sum$[ebp]

;    12 : }

pop edi
pop esi
pop ebx
mov esp, ebp
pop ebp
ret 0
_arraySum ENDP

可以写出比上例更快的代码,这种想法不无道理。上例中的代码是为了进行交互式调试,因此为了可读性而牺牲了速度。如果针对确定目标编译同样的程序,并选择完全优化,那么结果代码的执行速度将会非常快,但同时,程序对人类而言基本上是无法阅读和理解的。

调试器设置

用 Visual Studio 调试 C 和 C++ 程序时,若想查看汇编语言源代码,就在 Tools 菜单中选择 Options 以显示如下图的对话框窗口,再选择箭头所指的选项。上述设置要在启动调试器之前完成。接着,在调试会话开始后,右键点击源代码窗口,从弹出菜单中选择 Go to Disassembly。

启动VS的地址级调试

本章目标是熟悉由 C 和 C++ 编译器产生的最直接和简单的代码生成例子。此外,认识到编译器有多种方法生成代码也是很重要的。比如,它们可以将代码优化为尽可能少的机器代码字节。或者,可以尝试生成尽可能快的代码,即使要用大量机器代码字节来输出结果 ( 常见的情况 )。

最后,编译器还可以在代码量和速度的优化间进行折中。为速度进行优化的代码可能包含更多指令,其原因是,为了追求更快的执行速度会展开循环。机器代码还可以拆分为两部分以便利用双核处理器,这些处理器能同时执行两条并行代码。

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