GCC扩展内联汇编clobber列表正确编写方法相关疑问

学习背景 #

近期通过GCC 7.5.0官方扩展汇编文档以及过往相关问题学习了clobber的用法，参考资料中对clobber的核心描述如下：

clobber列表的作用是告知编译器，列表内的寄存器会被asm语句中的汇编代码隐式修改。由于clobber列表内的寄存器会被汇编代码隐式修改，编译器为输入、输出操作数选择寄存器时，不会选用clobber列表中指定的寄存器，以此避免数据覆盖等逻辑错误。

在实际编码使用中，存在若干实操层面的疑问，结合示例整理如下。

核心疑问 #

疑问1：显式指定操作数寄存器后是否还需要编写clobber列表 #

先看一组对比示例代码：

#include <stdio.h>



int inc2(int src) {
  int dst;

  asm("mov %1, %0\n\t"
      "mov $3, %%eax\n\t"
      "add $1, %0"
      : "=r"(dst)
      : "r"(src));

  return dst;
}

int inc3(int src) {
  int dst;

  asm("mov %1, %0\n\t"
      "mov $3, %%eax\n\t"
      "add $1, %0"
      : "=r"(dst)
      : "r"(src)
      : "%eax");

  return dst;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  printf("inc2: %d\n", inc2(1));
  printf("inc3: %d\n", inc3(1));
}

上述代码运行后inc2输出2，inc3输出4，原因是inc2里的mov $3, %eax直接修改了eax，而编译器给输入操作数分配的寄存器恰好就是eax，导致输入值被覆盖出错。
那如果显式绑定所有输入输出操作数的寄存器，是不是就完全不需要写clobber？比如下面的inc4实现：

int inc4(int src) {
int dst;

  asm("mov %%rcx, %%rax\n\t"
      "add $1, %%rax"
      : "=a"(dst)
      : "c"(src)
      : );

  return dst;
}

这里显式指定输入用rcx、输出用rax，这种写法是不是可以完全省略clobber？还是说汇编里修改过的所有寄存器都必须加到clobber列表里？

疑问2：开源代码中clobber列表的写法逻辑 #

在阅读广泛使用的开源代码时，发现部分内联汇编的clobber写法和初步理解有偏差，以下面两个函数为例：

static inline uint32_t rdtscp() {
  uint32_t rv;
  asm volatile ("rdtscp": "=a" (rv) :: "edx", "ecx");
  return rv;
}

static inline uint32_t memaccesstime(void *v) {
    uint32_t rv;
    asm volatile (
        "mfence\n"
        "lfence\n"
        "rdtscp\n"
        "mov %%eax, %%esi\n"
        "mov (%1), %%eax\n"
        "rdtscp\n"
        "sub %%esi, %%eax\n"
        : "=&a" (rv): "r" (v): "ecx", "edx", "esi");
    return rv;
}

具体疑问点：

• 为什么这两个函数的clobber列表都包含edx和ecx？
• 是否因为输出用=a约束绑定了eax，所以clobber里不需要加eax？
• 第一个rdtscp函数没有输入参数，只有一个绑定到eax的输出，标记edx、ecx的意义是什么？

解答 #

针对疑问1的解答 #

核心规则非常明确：所有被汇编代码修改、且没有被声明为输出操作数（含显式绑定输出、内存输出）的寄存器，都必须加入clobber列表，和是否显式指定操作数使用的寄存器没有直接关系。

• 你写的inc4示例clobber为空是完全合法的：这段汇编仅修改了rax寄存器，而rax已经通过=a约束绑定为输出寄存器；rcx仅被读取源值、没有被修改，不存在其他被改动的寄存器，因此不需要额外添加clobber项。
• 要注意一个高频踩坑点：哪怕你通过约束显式绑定了输入寄存器，只要你在汇编里修改了这个输入寄存器，要么把它改成输入输出操作数（比如用+c代替c约束），要么就必须把它加到clobber列表。编译器默认输入寄存器在asm语句执行前后值保持不变，如果你修改了寄存器又不告知编译器，会直接导致寄存器值状态混乱，产生难以排查的错误。
• 之前的inc2出错、inc3正常的原因也完全符合这个规则：inc2里汇编修改了eax，但eax既没有被声明为输出，也没有加入clobber列表，编译器可能把需要保留的输入值放在eax中，被mov $3, %%eax直接覆盖导致结果错误；inc3把eax加入clobber后，编译器就不会把任何需要跨asm语句保留的值放在eax中，自然避免了覆盖问题。

针对疑问2的解答 #

你观察到的规律是正确的：如果寄存器已经被绑定为输出操作数，就不需要再放到clobber列表里，编译器已经明确知道这个寄存器会被修改。

1. rdtscp函数需要clobber edx和ecx的原因很直接：根据x86指令集规范，rdtscp指令执行后，会把时间戳计数的低32位存在eax、高32位存在edx，同时把IA32_TSC_AUX寄存器的值存在ecx。也就是说这条指令会隐式修改edx和ecx，哪怕你的代码里没用到这两个寄存器的值，这两个寄存器也被指令改写了，必须告知编译器。否则编译器可能在执行rdtscp之前把某个要保留的值放在edx或者ecx里，指令执行后值就被冲掉，会引发逻辑错误。这段代码里只用到了eax存储的低32位返回值，所以只把eax绑定为输出，edx、ecx是被指令隐式修改、代码又不使用其值的寄存器，自然要放到clobber列表里。
2. 第二个memaccesstime函数的clobber逻辑完全一致：
   • 函数内两次调用rdtscp，每次都会隐式改写ecx、edx，这两个寄存器没有被用来存储输入输出值，所以必须加入clobber列表；
   • 汇编中用mov %%eax, %%esi把第一次读取的tsc低32位临时存在esi里，供后续计算差值使用，esi既不是输入也不是输出，但确实被汇编代码修改了，所以也要加到clobber列表里；
   • 输出已经通过=&a约束绑定了eax，所以eax不需要加到clobber中。这里约束里的&是早期破坏标记，作用是告知编译器：eax这个输出寄存器会在asm语句用完所有输入操作数之前就被修改，不要把输入操作数分配到eax里，避免输入值被提前覆盖。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Gerrie