关于gcc翻译的汇编代码为C实现N阶乘的疑惑

Question

我对阶乘函数的反汇编感到困惑。

代码

long factorial(int x)
{
    long result = 1;

    while (x > 1)
    {
        result = result * x;
        x= x - 1;
    }

    return result;
}

我使用 gcc 命令反汇编阶乘函数gcc -S -O1 test.c

factorial:
.LFB0:
        cmpl    $1, %edi
        jle     .L2
        movslq  %edi, %rdx
        leaq    -1(%rdx), %rcx
        leal    -2(%rdi), %eax
        subq    %rax, %rcx
        movl    $1, %eax
.L3:
        imulq   %rdx, %rax
        subq    $1, %rdx
        cmpq    %rcx, %rdx
        jne     .L3
.L2:
        movl    $1, %eax
        rep ret

我不明白下面的代码是做什么的，有人可以帮助我吗？

movq    %rax, %rdx
leaq    -1(%rax), %rcx
leal    -2(%rdi), %esi
subq    %rsi, %rcx

Answer 1

（对问题的更新更改了 C 和 asm，删除了问题仍然询问的movq %rax, %rdx ，但否则会使答案的第一部分无效。请参阅编辑历史记录或遵循此答案中的 Godbolt 链接请参阅本节所指的内容。）

movq %rax, %rdx正在制作符号扩展x （32 位int到 64 位long ）的副本，用于在表达式result * x隐式执行(long)x表达式的循环中。 请注意，它避免了每次循环都像 C 抽象机那样重做符号扩展。 （与 GCC5 及更早版本不同，它们或多或少地按照编写的方式编译，只有像 do{}while 循环结构这样的普通转换。）

它以符号扩展x 2 个副本开始的事实是因为您的 C 以result=x开头。 这是您的阶乘实现中的一个错误，因为您没有执行x-- ，但编译器只是在实现您编写的内容。 实际上使用x--会生成其他奇怪的代码（ https://godbolt.org/z/345K6hbas ），例如leal -3(%rdi), %edi / addq $1, %rdi仅与lea -2(%rdi), %edi以防 LEA 产生 0xFFFFFFFF (-1) 并且 qword +1 进入高 32 位。 但这不可能发生，因为较早的 cmp/jcc 会提前返回x-1 <= 1 ，因此 rdi-3+1 是另一个错过的优化。

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其他 3 条指令（lea/lea/sub）是 GCC 是愚蠢的，我认为以复杂的方式计算常量1作为 RCX 中的循环终止条件，以与 RDX 进行比较。 这是一个遗漏的优化错误，您可以报告GCC 的 bugzilla，因为它仍然发生在 -O2 ( https://godbolt.org/z/achGeePYb ) 的当前主干夜间构建中。

我猜测提升符号扩展导致创建此逻辑为时已晚，优化传递无法将其分类为合理的东西，或者以他们不能/不可以的方式。

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顺便说一句，这看起来像 GCC7，因为它与您的 asm https://godbolt.org/z/jMhjsvfdM匹配。 后来的 GCC 省略了 rep 前缀（但否则会造成同样的混乱），早期的 GCC 要么使 asm 略有不同，要么（gcc5 及更早版本）直接进入循环而没有先做那么多。 但是他们每次循环迭代都会重做x符号扩展（从 32 位int到 64 位long ）。

即使在-O2也会发生这种情况，因此这不是仅启用部分优化 (-O1) 的结果。 GCC8 和更早的在-O3处自动矢量化，但这可能没有利润，这可能是 GCC9 和后来停止这样做的原因。 （x86 在 AVX-512 之前没有 SIMD qword 乘法， -march=skylake-avx512 ，并且从多个pmuludq操作中合成它很慢）。