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グローバル変数とローカル変数とアセンブリコード

2016/05/03 15:57
2016/05/03 15:57
Programming
アセンブリ言語
次のようなグローバル変数がどのように扱われるかを確認する
int a = 10;

int add() {
    return a * 2;
}
clang -S -mllvm --x86-asm-syntax=intel global.c で以下のようなコードが生成される。
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
 .macosx_version_min 10, 11
 .globl _add
 .align 4, 0x90
_add:                                   ## @add
 .cfi_startproc
## BB#0:
 push rbp  ## いつもの
Ltmp0:
 .cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp1:
 .cfi_offset rbp, -16
 mov rbp, rsp ## いつもの
Ltmp2:
 .cfi_def_cfa_register rbp
 mov eax, dword ptr [rip + _a1]  ## eax に [rip + _a1]アドレスから dword長(32bit)の領域の値を読み込む
 shl eax, 1  ## 2倍する演算は1ビット左シフトすれば実現出来る
 pop rbp    ## いつもの
 ret        ## いつもの
 .cfi_endproc

 .section __DATA,__data
 .globl _a1                     ## @a1
 .align 2
_a1:
 .long 10                      ## 0xa

.subsections_via_symbols
なるほど、グローバル変数 a は DATA セクションにラベル _a が振られているようです。2 倍の演算は shl によって左ビットシフトすることにより実現しているようです。
未定義のグローバル変数に関しては .comm という擬似命令を使って表現されるようです。次の C コードで確認してみます。
// 定義済みのグローバル変数
int a1 = 10;

// 未定義のグローバル変数
int b1;

int add() {
    return a1 * 3;
}
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
 .macosx_version_min 10, 11
 .globl _add
 .align 4, 0x90
_add:                                   ## @add
 .cfi_startproc
## BB#0:
 push rbp ## いつもの
Ltmp0:
 .cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp1:
 .cfi_offset rbp, -16
 mov rbp, rsp ## いつもの
Ltmp2:
 .cfi_def_cfa_register rbp
 imul eax, dword ptr [rip + _a1], 3
 pop rbp ## いつもの
 ret ## いつもの
 .cfi_endproc

 .section __DATA,__data
 .globl _a1                     ## @a1
 .align 2
_a1:
 .long 10                      ## 0xa

 .comm _b1,4,2                 ## @b1

.subsections_via_symbols
.comm についてリファレンスには以下のように記載してあります。
.comm name, size,alignment The .comm directive allocates storage in the data section. The storage is referenced by the identifier name. Size is measured in bytes and must be a positive integer. Name cannot be predefined. Alignment is optional. If alignment is specified, the address of name is aligned to a multiple of alignment.
今回 add 関数は a1 を 3 倍した値を返すという内容にしてみました（名前変えるのわすれてた）。すると imul という命令が登場しました。こいつは単純な Signed Multiply を実現する命令です。dword ptr [rip + _a1] の値を 3 倍して eax レジスタに格納するといったことをやっています。どうやら 2 のべき乗のときだけ shl 命令を使い、それ以外のときは imul 命令が使われる雰囲気がある。

ローカル変数

対してローカル変数はどう扱われるのか。簡単な C コードで確認してみる。
int a = 10;

int add() {
    int b = 10;
    return a + b;
}
最適化をかけずにアセンブリコードを生成。
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
 .macosx_version_min 10, 11
 .globl _add
 .align 4, 0x90
_add:                                   ## @add
 push rbp      ## いつもの
 mov rbp, rsp ## いつもの
 mov dword ptr [rbp - 4], 10   ## rbp レジスタに 10 という値を積む（スタックポインタは進めていない点に注意）
 mov eax, dword ptr [rip + _a] ## アキュムレータに _a の値をロード
 add eax, dword ptr [rbp - 4]  ## アキュムレータに さきほど rbp に積んだ値 10 を加算
 pop rbp  ## rbp を以前の状態に戻す
 ret          ## 呼び出し元へ制御を戻す

 .section __DATA,__data
 .globl _a                      ## @a
 .align 2
_a:
 .long 10                      ## 0xa


.subsections_via_symbols
.cfi を省いたアセンブリコード。各行にコメントを付与した。_add で関数のおきまりの処理（push rbp, mov rbp, rsp）を行ったあと、rbp はスタックポインタと同じ位置を指しているはずだ。int b = 10; というコードはスタック領域に積む形で値 10 が格納されることにより実現されていることがわかる。ただし rsp は進んでいないため、スタックにプッシュしたことにはならない。すなわち、関数の外側からはローカル変数には（通常）アクセスできないような仕組みになっている。なるほど...という感じだ。あとは eax に演算処理結果を突っ込んでいって ret するという流れのようです。
ところで、この C コードにおけるローカル変数 b は明らかに無駄なコードです。最適化オプションをオンにして生成されるアセンブリコードを見てみます。
_add:                                   ## @add
 push rbp
 mov rbp, rsp
 mov eax, dword ptr [rip + _a]
 add eax, 10
 pop rbp
 ret
今度は、rbp-4 へ 10 の格納を行わず、直接 eax レジスタへ定数 10 を加算しているのが見て取れる。なるほどなぁ...って感想です。

参考文献