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Cの基本的なコードとアセンブリコード

if 文

int abs(int i) { if (i > 0) { return i; } else { return -1 * i; } }

絶対値を返す簡単な関数について見てみる。まずは最適化なし(-O0

_abs: ## @abs push rbp mov rbp, rsp mov dword ptr [rbp - 8], edi ## 引数をdword ptr [rbp-8]領域へ格納 cmp dword ptr [rbp - 8], 0 ## 0と比較 jle LBB0_2 ## 0と同じかそれ以下だったら LBB0_2 ラベルへジャンプ ## BB#1: mov eax, dword ptr [rbp - 8] ## eax レジスタへdword ptr [rbp-8]領域の値をロード mov dword ptr [rbp - 4], eax ## dword ptr [rbp-4]領域へ eax レジスタの値をセット jmp LBB0_3 ## LBB0_3 ラベルへジャンプ LBB0_2: imul eax, dword ptr [rbp - 8], 4294967295 ## eax レジスタへdword ptr [rbp-8]領域の値に4294967295(FFFFFF)をかけたものをロード mov dword ptr [rbp - 4], eax ## dword ptr [rbp-4]領域へ eax レジスタの値をセット LBB0_3: mov eax, dword ptr [rbp - 4] ## eax レジスタの値へdword ptr [rbp-4]領域の値をセット pop rbp ret

cmp, jle, jmp 命令などによって if 文のふるまいが表現されていることがわかる。符号を反転させる部分は以下のような感じ(Swift)

// 2147483648(signed int では -16) let i: UInt32 = 0b11111111_11111111_11111111_11110000 // 4294967295(singed int では -1) let j: UInt32 = 0b11111111_11111111_11111111_11111111 let result = i &* j //~> 16

続いて最適化あり(-O2

_abs: ## @abs push rbp mov rbp, rsp mov eax, edi ## 引数を eax にロード neg eax ## eax の符号反転(2の補数を取る) cmovl eax, edi ## eax < edi なら mov eax, edi する pop rbp ret

cmovl は conditonal move if less だそうで、つまり第 1 オペランドが第 2 オペランドより小さかったら第 1 オペランドへロードするというものらしい。だいぶ処理が軽くなっているのがわかる。

末尾呼び出しの最適化

末尾呼び出しでない階乗関数

C のコードはこんなかんじで。

int fact(int n) { return n == 0 ? 1 : n * fact(n - 1); }

アセンブリコードを見てみる。

## 最適化なし(-O0) _fact: ## @fact push rbp mov rbp, rsp sub rsp, 16 ## 16バイト分のローカル変数領域を確保 mov dword ptr [rbp - 4], edi ## dword ptr [rbp-4] へ n を格納 cmp dword ptr [rbp - 4], 0 ## dword ptr [rbp-4] と 0 を比較(n != 0 ?) jne LBB0_2 ## not equal なら LBB0_2 へジャンプ ## BB#1: 基底ケース mov eax, 1 ## eax レジスタに 1を格納 mov dword ptr [rbp - 8], eax ## dword ptr [rbp-8]へ eax レジスタの値を格納 jmp LBB0_3 ## LBB0_3 へジャンプ LBB0_2: ## 再帰ケース mov eax, dword ptr [rbp - 4] ## eax レジスタに n を格納 mov ecx, dword ptr [rbp - 4] ## ecx レジスタに n を格納 sub ecx, 1 ## ecx = n - 1 mov edi, ecx ## edi(再帰呼び出しの引数) へ n - 1 をセット mov dword ptr [rbp - 12], eax ## dword ptr [rbp-12] へ n を格納 call _fact ## 自己再帰呼び出し mov ecx, dword ptr [rbp - 12] ## ecx へ n を格納 imul ecx, eax ## ecx = n * fact(n - 1) mov dword ptr [rbp - 8], ecx ## dword ptr [rbp-8] へ ecx の値をセット LBB0_3: mov eax, dword ptr [rbp - 8] ## eax へ dword ptr [rbp-8] の値をセット add rsp, 16 ## ローカル変数領域をクリーンアップ pop rbp ret

再帰が深い場合、スタックを食いつぶすことがわかる。続いて末尾再帰版。

int loop(int n, int acc) { if (n == 0) { return acc; } else { return loop(n - 1, n * acc); } } int fact(int n) { return loop(n, 1); }

最適化あり(-O1)で生成したコード。-O2 だとちょっと読むのが厳しいくらい最適化されたコードが生成されてしまったので...。

_loop: ## @loop push rbp mov rbp, rsp test edi, edi ## if (edi == 0) { ZF = 1 } else { ZF = 0 } je LBB0_2 ## if (ZF == 1) { jump LBB0_2 } LBB0_1: imul esi, edi ## esi = esi * edi dec edi ## edi-- (演算結果が 0 なら ZF(zero flag) が立つ) jne LBB0_1 ## ZF == 0 なら LBB0_1 へジャンプ LBB0_2: mov eax, esi ## eax へ esi の値をセットして、呼び出し元へ返却 pop rbp ret _fact: ## @fact push rbp mov rbp, rsp mov esi, 1 pop rbp jmp _loop ## TAILCALL

末尾呼び出しがジャンプ命令に置き換わっているのがわかる。コールスタックを消費しない形式となっている。

Hello, world

C のコードを掲載するまでもないと思うんですが、まあ一応掲載

#include <stdio.h> int main() { printf("hello, work!\n"); }

-O2 で生成したコード。

.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions .macosx_version_min 10, 11 .globl _main .align 4, 0x90 _main: ## @main .cfi_startproc ## BB#0: push rbp Ltmp0: .cfi_def_cfa_offset 16 Ltmp1: .cfi_offset rbp, -16 mov rbp, rsp Ltmp2: .cfi_def_cfa_register rbp lea rdi, [rip + L_str] call _puts xor eax, eax pop rbp ret .cfi_endproc .section __TEXT,__cstring,cstring_literals L_str: ## @str .asciz "hello, work!" .subsections_via_symbols

あんまり面白くなかった。"hello, work!" という文字列への参照を rdi レジスタにぶち込んで _puts よんでるだけだった。最後に xor eax, eax しているのは main 関数の return 0 を表現しているのだろう...。

参考文献

  • http://kira000.hatenadiary.jp/entry/2014/08/26/052447
  • https://codezine.jp/article/detail/485

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