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/ ARM64svc #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
许可
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