为什么这个带有 gcc (clang) 内联汇编的简单 c 程序表现出未定义的行为？

Question

我正在尝试使用 gcc 汇编器扩展做一件非常简单的事情：

将 unsigned int 变量加载到寄存器中
加1
输出结果

编译我的解决方案时：

#include <stdio.h>
#define inf_int volatile unsigned long long

int main(int argc, char *argv[]){
   inf_int zero = 0;
   inf_int one = 1;
   inf_int infinity = ~0;
   printf("value of zero, one, infinity = %llu, %llu, %llu\n", zero, one, infinity);
   __asm__ volatile (
      "addq , %0"
      : "=r" (infinity)
   );
   __asm__ volatile (
      "addq , %0"
      : "=r" (zero)
   );
   __asm__ volatile (
      "addq , %0"
      : "=r" (one)
   );
   printf("value of zero, one, infinity = %llu, %llu, %llu\n", zero, one, infinity);
   return 0;
}

使用以下开关：

gcc -std=c99 --pedantic -Wall  -c main.c -o main.o
gcc -std=c99 --pedantic -Wall  main.o -o main

我希望运行 main 得到以下结果：

value of zero, one, infinity = 0, 1, 18446744073709551615

value of zero, one, infinity = 1, 2, 0

但我得到的结果是这样的：

value of zero, one, infinity = 0, 1, 18446744073709551615

value of zero, one, infinity = 60, 61, 59

有趣的是，如果我向第一个 printf 添加一个字符，我会得到以下逐一输出：

value of zerao, one, infinity = 0, 1, 18446744073709551615

value of zero, one, infinity = 61, 62, 60

更有趣的是，我可以通过添加（可选）输出寄存器来修复该行为。但这会很浪费，因为使用了 2* 个以上的寄存器，并且无法帮助我理解 为什么 上一篇文章表现出未定义的行为。

#include <stdio.h>
#define inf_int volatile unsigned long long

int main(int argc, char *argv[]){
   inf_int zero = 0;
   inf_int one = 1;
   inf_int infinity = ~0;
   printf("value of zerao, one, infinity = %llu, %llu, %llu\n", zero, one, infinity);
   __asm__ volatile (
      "addq , %0 \n\t"
      "movq %0, %1"
      : "=r" (zero)
      : "r" (zero)
   );
   __asm__ volatile (
      "addq , %0 \n\t"
      "movq %0, %1"
      : "=r" (one)
      : "r" (one)
   );
   __asm__ volatile (
      "addq , %0 \n\t"
      "movq %0, %1"
      : "=r" (infinity)
      : "r" (infinity)
   );
   printf("value of zero, one, infinity = %llu, %llu, %llu\n", zero, one, infinity);
   return 0;
}

编辑

使用具有相同选项的 clang 进行编译也会给出未定义的行为：

value of zerao, one, infinity = 0, 1, 18446744073709551615

value of zero, one, infinity = 2147483590, 2147483591, 2147483592

编辑 2

按照 Olaf 的建议，我尝试使用 stdint.h 中的 uint64_t。运行程序的结果仍未定义。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
//#define inf_int volatile unsigned long long
#define inf_int uint64_t
int main(int argc, char *argv[]){
   inf_int zero = 0;
   inf_int one = 1;
   inf_int infinity = ~0;
   printf("value of zerao, one, infinity = %lu, %lu, %lu\n", zero, one, infinity);
   __asm__ volatile (
      "addq , %0 \n\t"
      : "=r" (zero)
   );
   __asm__ volatile (
      "addq , %0 \n\t"
      : "=r" (one)
   );
   __asm__ volatile (
      "addq , %0 \n\t"
      : "=r" (infinity)
   );
   printf("value of zero, one, infinity = %lu, %lu, %lu\n", zero, one, infinity);
   return 0;
}

Answer 1

您的第一个代码没有指定 asm 语句的任何输入，因此所选寄存器具有未定义的值（在这种情况下，最初是 printf 的 return 值）。第二个示例重复使用未定义值的错误，并通过用输出覆盖输入寄存器来添加更多未定义行为。

您可以使用两个寄存器，例如：

__asm__ (
   "movq %1, %0 \n\t"
   "addq , %0"
   : "=r" (zero)
   : "r" (zero)
);

您可以使用 input/output 参数：

__asm__ (
   "addq , %0"
   : "+r" (zero)
);

既可以在内存中又可以作为寄存器：

__asm__ (
   "addq , %0"
   : "+rm" (zero)
);

或者您可以将输入与输出联系起来：

__asm__ (
   "addq , %0"
   : "=rm" (zero)
   : "0" (zero)
);

最后不需要任何 volatile 修饰符。

Answer 2

总结一下：

内联汇编不是 C 标准的一部分，它是一个扩展，因此无法保证可移植性（即使在同一硬件上的编译器之间）。

一个好的写法如下：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#define inf_int uint64_t
int main(int argc, char *argv[]){
   inf_int zero = 0;
   inf_int one = 1;
   inf_int infinity = ~0;
   printf("value of zero, one, infinity = %lu, %lu, %lu\n", zero, one, infinity);
   __asm__ (
      "addq , %0 \n\t"
      : "+r" (zero)
   );
   __asm__ (
      "addq , %0 \n\t"
      : "+r" (one)
   );
   __asm__ (
      "addq , %0 \n\t"
      : "+r" (infinity)
   );
   printf("value of zero, one, infinity = %lu, %lu, %lu\n", zero, one, infinity);
   return 0;
}

为什么这个带有 gcc (clang) 内联汇编的简单 c 程序表现出未定义的行为？

Why is this simple c program with gcc (clang) inline assembly exhibiting undefined behaviour?

gcc

x86

inline-assembly

gnu-assembler