汇编指令之算术和逻辑操作指令

        下表是 x86-64 中的一些整数和逻辑操作指令，其中除 leaq 指令外，其他指令类都有各种不同大小操作数的变种（类似于 MOV 类指令，见汇编指令之数据传送指令）。例如，指令类 ADD 由四条加法指令组成：addb、addw、addl 和 addq，分别是字节加法、字加法、双字加法和四字加法。这些操作被分为四组：加载有效地址、一元操作、二元操作和移位。

        加载有效地址（load effective address）指令 leaq 实际上是 movq 指令的变形。虽然它的指令形式是从内存读取数据到寄存器，但实际上它根本没有引用内存。它的第一个操作数看上去是一个内存引用，但该指令并不是从指定的位置读入数据，而是将有效地址写入到目的操作数（必须是一个寄存器）。这条指令可以为后面的内存引用产生指针，而且它还可以简洁地描述普通的算术操作。例如，如果寄存器 %rdx 的值为 x，那么指令“leaq 7(%rdx, %rdx, 4), %rax”将把寄存器 %rax 的值设置为 5x+7。
        第二组中的操作数是一元操作，只有一个操作数，既是源又是目的。这个操作数可以是一个寄存器，也可以是一个内存位置。比如，指令“incq(%rsp)”会使栈顶的 8 字节元素加 1，类似于 C 语言中的自增运算符。
        第三组是二元操作，其中，第二个操作数既是源又是目的。类似于 C 语言中的赋值运算符，如 x-=y。第一个操作数可以是立即数、寄存器或是内存位置，第二个操作数可以是寄存器或是内存位置。当第二个操作数是内存地址时，处理器必须从内存读出值，执行操作，再把结果写回内存。
        最后一组是移位操作：先给出移位量，然后第二项给出的是要移位的数。移位量可以是一个立即数，或者放在特定的单字节寄存器 %cl 中。x86-64 中，移位操作对 w 位长的数据值进行操作，移位量是由 %cl 寄存器的低 m 位决定的，这里 2^m=w，高位则会被忽略。例如，当 %cl 寄存器的值为 0xFF 时，指令 salb 会移 7 位，salw 会移 15 位，sall 会移 31 位，而 salq 会移 63 位。移位操作的目的操作数可以是一个寄存器或是一个内存位置。
        上面这些都属于常规的算术指令，其实还有一类特殊的算术操作。通常，两个 64 位有符号或无符号整数相乘得到的乘积需要 128 位（16字节，称为八字）来表示，x86-64 指令集对此提供了有限的支持，如下表所示。

        注意，这里又出现了一个 imulq 指令，不过它是单操作数的，汇编器能够通过计算操作数的数目来分辨出想用哪条指令。单操作数的 imulq 指令和 mulq 指令分别是计算两个 64 位值的全 128 位乘积，前者计算补码乘法，后者计算无符号数乘法。它们都要求一个参数必须在寄存器 %rax 中，而另一个作为指令的源操作数给出，然后乘积存放在寄存器 %rdx（高 64 位）和 %rax（低 64 位）中。下面这段 C 代码说明了如何从两个无符号 64 位数字 x 和 y 生成 128 位的乘积。

#include <inttypes.h>

typedef unsigned __int128 uint128_t;

void store_uprod(uint128_t *dest, uint64_t x, uint64_t y){
    *dest = x * (uint128_t)y;
}

        这里的 unsigned __int128 类型是 GCC 提供的 128 位整数支持，改为 uint128_t 类型别名是为了沿用 inttypes.h 中其他数据类型的命名规律。最终的乘积存放在指针 dest 指向的 16 字节处。这段代码对应的汇编代码大致如下（对应的是小端法机器）。

; void store_uprod(uint128_t *dest, uint64_t x, uint64_t y)
; dest in %rdi, x in %rsi, y in %rdx
store_uprod:
    movq    %rsi, %rax        ; Copy x to multiplicand
    mulq    %rdx              ; Multiply by y
    movq    %rax, (%rdi)      ; Store lower 8 bytes at dest
    movq    %rdx, 8(%rdi)     ; Store upper 8 bytes at dest+8
    ret

        除了 64 位乘法指令，这里还提供了之前的算术表里没有的除法和取模操作。它们也是单操作数的。其中，有符号除法指令 idivq 将寄存器 %rdx（高 64 位）和 %rax（低 64 位）中的 128 位数作为被除数，而将操作数作为除数，最终得出的商存储在寄存器 %rax 中，余数则存储在寄存器 %rdx 中。对于 64 位的被除数，其值应该存放在寄存器 %rax 中，而把 %rdx 的位设置为全 0（无符号运算）或者 %rax 的符号位（有符号运算）。后面这个操作可以用图中的指令 cqto 来完成，该指令不需要操作数，它会隐含读出 %rax 的符号位，并将它复制到 %rdx 的所有位。
        下面这个 C 函数说明了 x86-64 是如何实现除法的，它计算了两个 64 位有符号数的商和余数。

void remdiv(long x, long y, long *qp, long *rp){
    long q = x / y;
    long r = x % y;
    *qp = q;
    *rp = r;
}

        该函数对应的汇编代码大致如下。

; void remdiv(long x, long y, long *qp, long *rp)
; x in %rdi, y in %rsi, qp in %rdx, rp in %rcx
remdiv:
    movq    %rdx, %r8        ; Copy qp
    movq    %rdi, %rax       ; Move x to lower 8 bytes of dividend
    cqto                     ; Sign-extend to upper 8 bytes of dividend
    idivq   %rsi             ; Divide by y
    movq    %rax, (%r8)      ; Store quotient at qp
    movq    %rdx, (%rcx)     ; Store remainder at rp
    ret