GCC 内联汇编教程

本教程从简单到复杂，系统性地介绍 GCC 内联汇编的使用方法，包含 12 个循序渐进的示例，支持 x86_64 和 ARM64 (AArch64) 两种架构，所有代码均可在对应架构的 Linux 环境下编译运行。

支持的架构

架构	目录	说明
x86_64	`x86_64/`	Intel/AMD 64位处理器
ARM64/AArch64	`aarch64/`	ARM 64位处理器 (包括 Apple Silicon, AWS Graviton 等)

目录结构

inline-asm-tutorial/
├── Makefile              # 自动检测架构的主 Makefile
├── README.md             # 本文件
├── x86_64/               # x86_64 架构代码
│   ├── 01_hello_asm.c
│   ├── 02_input_output.c
│   ├── 03_constraints.c
│   ├── 04_clobbers.c
│   ├── 05_memory_barrier.c
│   ├── 06_volatile.c
│   ├── 07_early_clobber.c
│   ├── 08_output_input_modifiers.c
│   ├── 09_atomic_cas.c
│   ├── 10_syscall.c
│   ├── 11_rdpmc.c
│   └── 12_cpuid.c
└── aarch64/              # ARM64 架构代码
    ├── 01_hello_asm.c
    ├── 02_input_output.c
    ├── 03_constraints.c
    ├── 04_clobbers.c
    ├── 05_memory_barrier.c
    ├── 06_volatile.c
    ├── 07_early_clobber.c
    ├── 08_output_input_modifiers.c
    ├── 09_atomic_cas.c
    ├── 10_syscall.c
    ├── 11_timer.c
    └── 12_idreg.c

快速开始

Makefile 会自动检测当前架构并编译对应的代码：

# 编译所有示例（自动检测架构）
make all

# 运行所有测试
make test

# 编译并运行单个示例
./x86_64/01_hello_asm.out
# 或
./aarch64/01_hello_asm.out

架构差异速查

寄存器命名

x86_64	ARM64	说明
`rax`, `rbx`, …	`x0`, `x1`, …	64位通用寄存器
`eax`, `ebx`, …	`w0`, `w1`, …	32位通用寄存器
`rdi`, `rsi`, `rdx`	`x0`, `x1`, `x2`	函数/系统调用参数
`rax`	`x0`	函数/系统调用返回值
`r8`-`r15`	`x8`-`x18`	额外通用寄存器

系统调用

	x86_64	ARM64
指令	`syscall`	`svc #0`
系统调用号	`rax`	`x8`
参数1-6	`rdi`, `rsi`, `rdx`, `r10`, `r8`, `r9`	`x0`-`x5`
返回值	`rax`	`x0`
write 系统调用号	1	64
getpid 系统调用号	39	172

原子操作

	x86_64	ARM64
原子递增	`lock; inc`	`LDXR`/`STXR` 循环
CAS	`lock; cmpxchg`	`LDXR` + 比较 + `STXR`
内存屏障	`mfence`	`dmb sy`

性能计数器

	x86_64	ARM64
时间戳	`rdtsc`/`rdtscp`	`mrs cntvct_el0`
频率	CPU 特定	`mrs cntfrq_el0`
序列化	`cpuid`	`isb`

特性检测

	x86_64	ARM64
CPU ID	`cpuid` 指令	读取 `MIDR_EL1`
特性位	`cpuid` 返回值	`ID_AA64*` 系统寄存器
缓存信息	`cpuid`	`CTR_EL0`

学习路径

基础篇 (01-04)

01_hello_asm.c - 基本语法

__asm__ 和 asm 关键字
__volatile__ 的作用
Basic Asm vs Extended Asm
系统调用: x86_64 syscall / ARM64 svc #0

02_input_output.c - 输入输出操作数

Extended Asm 语法格式
输出操作数 ("=r")
输入操作数 ("r")
操作数编号 (%0, %1)
读写操作数 ("+r")

03_constraints.c - 约束条件

通用寄存器约束 ("r")
x86_64 特定: "a", "b", "c", "d", "S", "D"
ARM64 特定: 通过 register ... __asm__("xN")
内存约束 ("m")
立即数约束 ("i", "n")
匹配约束 ("0", "1")

04_clobbers.c - 修改列表

寄存器 clobber
条件码 clobber ("cc")
内存 clobber ("memory")
系统调用的 clobber 约定

进阶篇 (05-08)

05_memory_barrier.c - 内存屏障

编译器屏障 ("" ::: "memory")
x86_64: mfence, sfence, lfence
ARM64: dmb, dsb, isb
内存序与指令重排序

06_volatile.c - volatile 关键字

防止汇编被优化删除
副作用与优化
x86_64: rdtsc 读取时间戳
ARM64: mrs cntvct_el0 读取虚拟计数器

07_early_clobber.c - 早期修改

& 修饰符的含义
解决寄存器分配冲突
输入输出重叠的情况

08_output_input_modifiers.c - 修饰符详解

= 只写
+ 读写
& 早期修改
数字匹配约束

实战篇 (09-12)

09_atomic_cas.c - 原子操作 CAS

x86_64: lock; cmpxchg
ARM64: LDXR/STXR 独占加载/存储
实现自旋锁
多线程测试

10_syscall.c - 系统调用

x86_64: syscall 指令
ARM64: svc #0 指令
系统调用号和参数约定
错误处理

11_rdpmc.c / 11_timer.c - 性能计数器

x86_64: rdtsc/rdtscp
ARM64: 通用计时器 CNTVCT_EL0
序列化指令
性能测量方法

12_cpuid.c / 12_idreg.c - 特性检测

x86_64: cpuid 指令
ARM64: ID 寄存器 (MIDR_EL1, ID_AA64*)
缓存信息查询
特性位检测

核心概念速查

Extended Asm 语法模板

asm [volatile] (
    "汇编模板"
    : 输出操作数列表    /* 可选 */
    : 输入操作数列表    /* 可选 */
    : 修改列表          /* 可选 */
);

常用约束

约束	x86_64	ARM64	含义
`r`	是	是	任何通用寄存器
`m`	是	是	内存操作数
`i`	是	是	立即数
`a`	是	否	`rax`/`eax`
`b`	是	否	`rbx`/`ebx`
`c`	是	否	`rcx`/`ecx`
`d`	是	否	`rdx`/`edx`
`S`	是	否	`rsi`/`esi`
`D`	是	否	`rdi`/`edi`

修饰符

修饰符	含义
`=`	只写
`+`	读写
`&`	早期修改

常用 Clobbers

Clobber	x86_64	ARM64	含义
`"memory"`	是	是	修改任意内存
`"cc"`	是	是	修改条件码/标志位
`"rax"`	是	否	修改 `rax`
`"x0"`	否	是	修改 `x0`
`"x8"`	否	是	修改 `x8` (syscall)

常见问题

Q: 为什么我的汇编代码被优化掉了？

A: 必须使用 __volatile__ 关键字。

Q: 输入输出使用同一寄存器导致错误？

A: 使用 & 修饰符 (early clobber) 或 + 修饰符。

Q: 多线程环境下数据不一致？

A: 添加 "memory" clobber 或使用原子指令。

Q: 如何查看生成的汇编代码？

A: 使用 make asm 或 gcc -S。

Q: 如何在 x86_64 上编译 ARM64 代码？

A: 需要交叉编译器，例如 aarch64-linux-gnu-gcc。

参考资源

通用

x86_64

ARM64

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