禁用优化的 c alloca 函数的奇怪汇编代码 - gcc 使用 DIV 和 IMUL 常数 16，然后移位？

Question

我在 c

中有这个简单的代码

#include <stdio.h>
#include <alloca.h>

int main()
{
    char* buffer = (char*)alloca(600);
    snprintf(buffer, 600, "Hello %d %d %d\n", 1, 2, 3);

    return 0;
}

我希望为 alloca 函数生成的汇编代码只会递减堆栈指针（一个子指令），并且可能会进行一些对齐（一个和指令），但是生成的汇编代码非常复杂，甚至比你会期待的。

这是objdump -d main.o的输出，在gcc -c的输出上（没有优化，所以默认-O0）

    0000000000400596 <main>:
  400596:   55                      push   %rbp
  400597:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
  40059a:   48 83 ec 10             sub    [=12=]x10,%rsp
  40059e:   b8 10 00 00 00          mov    [=12=]x10,%eax
  4005a3:   48 83 e8 01             sub    [=12=]x1,%rax
  4005a7:   48 05 60 02 00 00       add    [=12=]x260,%rax
  4005ad:   b9 10 00 00 00          mov    [=12=]x10,%ecx
  4005b2:   ba 00 00 00 00          mov    [=12=]x0,%edx
  4005b7:   48 f7 f1                div    %rcx
  4005ba:   48 6b c0 10             imul   [=12=]x10,%rax,%rax
  4005be:   48 29 c4                sub    %rax,%rsp
  4005c1:   48 89 e0                mov    %rsp,%rax
  4005c4:   48 83 c0 0f             add    [=12=]xf,%rax
  4005c8:   48 c1 e8 04             shr    [=12=]x4,%rax
  4005cc:   48 c1 e0 04             shl    [=12=]x4,%rax
  4005d0:   48 89 45 f8             mov    %rax,-0x8(%rbp)
  4005d4:   48 8b 45 f8             mov    -0x8(%rbp),%rax
  4005d8:   41 b9 03 00 00 00       mov    [=12=]x3,%r9d
  4005de:   41 b8 02 00 00 00       mov    [=12=]x2,%r8d
  4005e4:   b9 01 00 00 00          mov    [=12=]x1,%ecx
  4005e9:   ba a8 06 40 00          mov    [=12=]x4006a8,%edx
  4005ee:   be 58 02 00 00          mov    [=12=]x258,%esi
  4005f3:   48 89 c7                mov    %rax,%rdi
  4005f6:   b8 00 00 00 00          mov    [=12=]x0,%eax
  4005fb:   e8 a0 fe ff ff          callq  4004a0 <snprintf@plt>
  400600:   b8 00 00 00 00          mov    [=12=]x0,%eax
  400605:   c9                      leaveq 
  400606:   c3                      retq   
  400607:   66 0f 1f 84 00 00 00    nopw   0x0(%rax,%rax,1)
  40060e:   00 00

知道生成的汇编代码的目的是什么吗？我正在使用 gcc 8.3.1.

Answer 1

当然有通常的调试模式/反优化行为，将每个 C 语句编译到一个单独的块，非 register 变量实际上在内存中。 (Why does clang produce inefficient asm with -O0 (for this simple floating point sum)?).

但是，是的，这超出了“未优化”的范畴。没有理智的人会期望 GCC 的固定指令序列（或 GIMPLE 或 RTL 逻辑，无论它扩展到什么阶段） alloca 逻辑涉及 div 通过编译- 2 的时间常数幂，而不是移位或只是一个 AND。 x /= 16; 不会编译成 div 如果你自己用 C 源代码编写，即使 gcc -O0.

通常 GCC 会尽可能多地对常量表达式进行编译时求值，例如 x = 5 * 6 不会在运行时使用 imul。但是它扩展其 alloca 逻辑的点必须在那个点之后，可能已经很晚了（在大多数其他传递之后）来解释所有那些错过的优化。因此，它不会受益于对 C 源代码逻辑进行操作的相同过程。

它正在做两件事：

将分配大小向上舍入（将其放入寄存器后的常数600）的倍数16 通过做：((16ULL - 1) + x) / 16 * 16。一个理智的编译器至少会使用 right/left 移位，如果不将其优化为 (x+15) & -16。但不幸的是，GCC 使用 div 和 imul 乘以 16，即使它是 2 的常数次幂。
将分配的最终地址 space 舍入为 16 的倍数（尽管它已经是因为 RSP 开始 16 字节对齐并且分配大小被四舍五入。）它使用 ((p+15) >> 4) << 4 执行此操作，这比 div/imul 更有效（特别是对于 Ice Lake 之前的 Intel 上的 64 位操作数大小），但效率仍然低于and $-16, %rax。当然，做已经毫无意义的工作是愚蠢的。

那当然要把指针存入char* buffer.

并在下一条语句的 asm 块中，将其重新加载为 sprintf 的 arg（低效地加载到 RAX 而不是直接加载到 RDI，典型的是 gcc -O0），同时设置寄存器参数。

所以这很糟糕，但是在大多数转换（“优化”）过程已经运行。注意 -O0 doesn't literally mean "no optimization"，它只是表示“快速编译，并给出一致的调试”。

禁用优化的 c alloca 函数的奇怪汇编代码 - gcc 使用 DIV 和 IMUL 常数 16，然后移位？

Strange assembly code for c alloca function with optimization disabled - gcc uses DIV and IMUL by a constant 16, and shifts?

c

x86

gcc

alloca

compiler-optimization