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# 22 | 生成汇编代码（一）：汇编语言其实不难学
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> 敲黑板：课程用的是GNU汇编器，macOS和Linux已内置，本文的汇编语言的写法是GNU汇编器规定的写法。Windows系统可安装MinGW或Linux虚拟机。
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对于静态编译型语言，比如C语言和Go语言，编译器后端的任务就是生成汇编代码，然后再由汇编器生成机器码，生成的文件叫目标文件，最后再使用链接器就能生成可执行文件或库文件了。
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就算像JavaScript这样的解释执行的语言，也要在运行时利用类似的机制生成机器码，以便调高执行的速度。Java的字节码，在运行时通常也会通过JIT机制编译成机器码。**而汇编语言是完成这些工作的基础。**
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对你来说，掌握汇编语言是十分有益的，因为哪怕掌握一小点儿汇编技能，就能应用到某项工作中，比如，在C语言里嵌入汇编，实现某个特殊功能；或者读懂某些底层类库或驱动程序的代码，因为它可能是用汇编写的。
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本节课，我先带你了解一下汇编语言，来个破冰之旅。然后在接下来的课程中再带你基于AST手工生成汇编代码，破除你对汇编代码的恐惧，了解编译期后端生成汇编代码的原理。
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以后，当你看到高级语言的代码，以及IR时，就可以想象出来它对应的汇编代码是什么样子，实现从上层到底层认知的贯通。
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## 了解汇编语言
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机器语言都是0101的二进制的数据，不适合我们阅读。而汇编语言，简单来说，是可读性更好的机器语言，基本上每条指令都可以直接翻译成一条机器码。
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跟你日常使用的高级语言相比，汇编语言的语法特别简单，但它要跟硬件（CPU和内存）打交道，我们来体会一下。
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计算机的处理器有很多不同的架构，比如x86-64、ARM、Power等，每种处理器的指令集都不相同，那也就意味着汇编语言不同。我们目前用的电脑，CPU一般是x86-64架构，是64位机。（如不做特别说明，本课程都是以x86-64架构作为例子的）。
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说了半天，汇编代码长什么样子呢？我用C语言写的例子来生成一下汇编代码。
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```
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#include <stdio.h>
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int main(int argc, char* argv[]){
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printf("Hello %s!\n", "Richard");
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return 0;
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}
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```
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在macOS中输入下面的命令，其中的-S参数就是告诉编译器把源代码编译成汇编代码，而-O2参数告诉编译器进行2级优化，这样生成的汇编代码会短一些：
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```
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clang -S -O2 hello.c -o hello.s
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或者：
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gcc -S -O2 hello.c -o hello.s
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```
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生成的汇编代码是下面的样子：
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```
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.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
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.build_version macos, 10, 14 sdk_version 10, 14
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.globl _main ## -- Begin function main
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.p2align 4, 0x90
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_main: ## @main
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.cfi_startproc
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## %bb.0:
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pushq %rbp
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.cfi_def_cfa_offset 16
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.cfi_offset %rbp, -16
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movq %rsp, %rbp
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.cfi_def_cfa_register %rbp
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leaq L_.str(%rip), %rdi
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leaq L_.str.1(%rip), %rsi
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xorl %eax, %eax
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callq _printf
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xorl %eax, %eax
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popq %rbp
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retq
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.cfi_endproc
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## -- End function
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.section __TEXT,__cstring,cstring_literals
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L_.str: ## @.str
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.asciz "Hello %s!\n"
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L_.str.1: ## @.str.1
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.asciz "Richard"
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.subsections_via_symbols
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```
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你如果再打下面的命令，就会把这段汇编代码编译成可执行文件（在macOS或Linux执行as命令，就是调用了GNU的汇编器）：
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```
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as hello.s -o hello.o //用汇编器编译成目标文件
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gcc hello.o -o hello //链接成可执行文件
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./hello //运行程序
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```
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以上面的代码为例，来看一下汇编语言的组成元素。**这是汇编语言入门的基础，也是重点内容，在阅读时，你不需要死记硬背，而是要灵活掌握，**比如CPU的指令特别多，我们记住常用的就行了，不太常用的可以去查手册。
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#### 1.汇编语言的组成元素
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这段代码里有**指令、伪指令、标签和注释**四种元素，每个元素单独占一行。
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**指令（instruction）是直接由CPU进行处理的命令，**例如：
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```
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pushq %rbp
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movq %rsp, %rbp
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```
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其中，开头的一个单词是助记符（mnemonic），后面跟着的是操作数（operand），有多个操作数时以逗号分隔。第二行代码的意思是把数据从这里（源）拷贝到那里（目的），这跟“请倒杯咖啡给我”这样的自然语句是一样的，先是动词（倒），然后是动词的作用对象（咖啡），再就是目的地（给我）。
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**伪指令以“.”开头，末尾没有冒号“：”。**
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```
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.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
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.globl _main
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.asciz "Hello %s!\n"
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```
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伪指令是是辅助性的，汇编器在生成目标文件时会用到这些信息，但伪指令不是真正的CPU指令，就是写给汇编器的。每种汇编器的伪指令也不同，要查阅相应的手册。
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**标签以冒号“:”结尾，用于对伪指令生成的数据或指令做标记。**例如L\_.str: 标签是对一个字符串做了标记。其他代码可以访问标签，例如跳转到这个标签所标记的指令。
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```
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L_.str: ## @.str
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.asciz "Hello %s!\n"
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```
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标签很有用，它可以代表一段代码或者常量的地址（也就是在代码区或静态数据区中的位置）。可一开始，我们没法知道这个地址的具体值，必须生成目标文件后，才能算出来。所以，标签会简化汇编代码的编写。
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**第四种元素，注释，以“#”号开头，这跟C语言中以//表示注释语句是一样的。**
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因为指令是汇编代码的主要部分，所以我们再把与指令有关的知识点展开讲解一下。
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#### 2.详细了解指令这个元素
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在代码中，助记符“movq”“xorl”中的“mov”和“xor”是指令，而“q”和“l”叫做后缀，表示操作数的位数。后缀一共有b, w, l, q四种，分别代表8位、16位、32位和64位。
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比如，movq中的q代表操作数是8个字节，也就是64位的。movq就是把8字节从一个地方拷贝到另一个地方，而movl则是拷贝4个字节。
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而在指令中使用操作数，可以使用四种格式，它们分别是：**立即数、寄存器、直接内存访问和间接内存访问。**
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**立即数以$开头，** **比如$40**。（下面这行代码是把40这个数字拷贝到%eax寄存器）。
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movl $40, %eax
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```
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除此之外，我们在指令中最常见到的就是对寄存器的访问，GNU的汇编器规定寄存器一定要以%开头。
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**直接内存访问：**当我们在代码中看到操作数是一个数字时，它其实指的是内存地址。不要误以为它是一个数字，因为数字立即数必须以$开头。另外，汇编代码里的标签，也会被翻译成直接内存访问的地址。比如“callq \_printf”中的“\_printf”是一个函数入口的地址。汇编器帮我们计算出程序装载在内存时，每个字面量和过程的地址。
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**间接内存访问：**带有括号，比如（%rbp），它是指%rbp寄存器的值所指向的地址。
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间接内存访问的完整形式是：
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> 偏移量（基址，索引值，字节数）这样的格式。
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其地址是：
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> 基址 + 索引值\*字节数 + 偏移量
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举例来说：
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> 8(%rbp)，是比%rbp寄存器的值加8。
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> \-8(%rbp)，是比%rbp寄存器的值减8。
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> （%rbp, %eax, 4）的值，等于%rbp + %eax\*4。这个地址格式相当于访问C语言中的数组中的元素，数组元素是32位的整数，其索引值是%eax，而数组的起始位置是%rbp。其中字节数只能取1,2,4,8四个值。
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你现在应该对指令的格式有所了解了，接下来，我们再学几个常用的指令：
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**mov指令**
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mov 寄存器|内存|立即数, 寄存器|内存
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```
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这个指令最常用到，用于在寄存器或内存之间传递数据，或者把立即数加载到内存或寄存器。mov指令的第一个参数是源，可以是寄存器、内存或立即数。第二个参数是目的地，可以是寄存器或内存。
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**lea指令，lea是“load effective address”的意思，装载有效地址。**
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```
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lea 源，目的
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比如前面例子代码中的leaq指令，是把字符串的地址加载到%rdi寄存器。
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leaq L_.str(%rip), %rdi
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```
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**add指令是做加法运算，它可以采取下面的格式：**
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add 立即数， 寄存器
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add 寄存器， 寄存器
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add 内存， 寄存器
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add 立即数， 内存
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add 寄存器， 内存
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```
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比如，典型的c=a+b这样一个算术运算可能是这样的：
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movl -4(%rbp), %eax #把%rbp-4的值拷贝到%eax
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addl -8(%rbp), %eax #把%rbp-8地址的值加到%eax上
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movl %eax, -12(%rbp) #把%eax的值写到内存地址%rbp-12
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```
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这三行代码，分别是操作a、b、c三个变量的地址。它们的地址分别比%rbp的值减4、减8、减12，因此a、b、c三个变量每个都是4个字节长，也就是32位，它们是紧挨着存放的，并且是从高地址向低地址延伸的，这是栈的特征。
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**除了add以外，其他算术运算的指令：**
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**与栈有关的操作：**
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**跳转类：**
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**过程调用：**
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**比较操作：**
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以上我列举的指令，是你在编写汇编代码时，经常会用到的，比较重要，会满足你编写简单汇编程序的需求，所以你需要重点关注。
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x86-64是复杂指令集的处理器，有非常多的指令，差不多有上千条，全部记住是比较难的。更好的办法，是记住主要的指令，其他指令在使用时去查[Intel公司的手册](https://software.intel.com/en-us/download/intel-64-and-ia-32-architectures-sdm-combined-volumes-1-2a-2b-2c-2d-3a-3b-3c-3d-and-4)，在这里我就不举例了。
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## x86-64架构的寄存器
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在汇编代码中，我们经常要使用各种以%开头的寄存器的符号。初学者阅读这些代码时，通常会有一些疑问：有几个寄存器可以用？我可以随便用它们吗？使用不当会不会造成错误？等等。所以，有必要让你熟悉一下这些寄存器，了解它们的使用方法。
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x86-64架构的CPU里有很多寄存器，我们在代码里最常用的是16个64位的通用寄存器，分别是：
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> %rax，%rbx，%rcx，%rdx，%rsi，%rdi，%rbp，%rsp， %r8，%r9，%r10，%r11，%r12，%r13，%r14，%r15。
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这些寄存器在历史上有各自的用途，比如，rax中的“a”，是Accumulator(累加器)的意思，这个寄存器是累加寄存器。
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但随着技术的发展，这些寄存器基本上都成为了通用的寄存器，不限于某种特定的用途。但是，为了方便软件的编写，我们还是做了一些约定，给这些寄存器划分了用途。针对x86-64架构有多个调用约定（Calling Convention），包括微软的x64调用约定（Windows系统）、System V AMD64 ABI（Unix和Linux系统）等，下面的内容属于后者：
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* %rax 除了其他用途外，通常在函数返回的时候，把返回值放在这里。
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* %rsp 作为栈指针寄存器，指向栈顶。
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* %rdi，%rsi，%rdx，%rcx，%r8，%r9 给函数传整型参数，依次对应第1参数到第6参数。超过6个参数怎么办？放在栈桢里，我们[21讲](https://time.geekbang.org/column/article/146635)已经讲过了。
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* 如果程序要使用%rbx，%rbp，%r12，%r13，%r14，%r15 这几个寄存器，是由被调用者（Callee）负责保护的，也就是写到栈里，在返回的时候要恢复这些寄存器中原来的内容。其他寄存器的内容，则是由调用者（Caller）负责保护，如果不想这些寄存器中的内容被破坏，那么要自己保护起来。
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上面这些寄存器的名字都是64位的名字，对于每个寄存器，我们还可以只使用它的一部分，并且另起一个名字。比如对于%rax，如果使用它的前32位，就叫做%eax，前16位叫%ax，前8位（0到7位）叫%al，8到15位叫%ah。
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其他的寄存器也有这样的使用方式，当你在汇编代码中看到这些名称的时候，你就知道其实它们有可能在物理上是同一个寄存器。
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除了通用寄存器以外，有可能的话，还要了解下面的寄存器和它们的用途，我们写汇编代码时也经常跟它们发生关联：
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* 8个80位的x87寄存器，用于做浮点计算；
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* 8个64位的MMX寄存器，用于MMX指令（即多媒体指令），这8个跟x87寄存器在物理上是相同的寄存器。在传递浮点数参数的时候，要用mmx寄存器。
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* 16个128位的SSE寄存器，用于SSE指令。我们将在应用篇里使用SSE指令，讲解SIMD的概念。
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* 指令寄存器，rip，保存指令地址。CPU总是根据这个寄存器来读取指令。
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* flags（64位：rflags, 32位：eflags）寄存器：每个位用来标识一个状态。比如，它们会用于比较和跳转的指令，比如if语句翻译成的汇编代码，就会用它们来保存if条件的计算结果。
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总的来说，我们的汇编代码处处要跟寄存器打交道，正确和高效使用寄存器，是编译期后端的重要任务之一。
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## 课程小结
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本节课，我讲解了汇编语言的一些基础知识，由于汇编语言的特点，涉及的知识点和细节比较多，在这个过程中，你无需死记硬背，只需要掌握几个重点内容：
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1.汇编语言是由指令、标签、伪指令和注释构成的。其中主要内容都是指令。指令包含一个该指令的助记符和操作数。操作数可以使用直接数、寄存器，以及用两种方式访问内存地址。
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2.汇编指令中会用到一些通用寄存器。这些寄存器除了用于计算以外，还可以根据调用约定帮助传递参数和返回值。使用寄存器时，要区分由调用者还是被调用者负责保护寄存器中原来的内容。
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另外，我们还要注意按照一定的规则维护和使用栈桢，**这个知识点会在后面的加餐中展开来讲一个例子。**
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鉴于你可能是第一次使用汇编语言，所以我**提供两个建议，让你快速上手汇编语言：**
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1.你可以用C语言写一些示例代码，然后用编译器生成汇编代码，看看能否看懂。
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2.模仿文稿中的例子，自己改写并运行你自己的汇编程序，这个过程中，你会发现真的没那么难。
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## 一课一思
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你之前学习过或者在项目中使用过汇编语言吗？感受是什么呢？有什么经验和体会呢？欢迎在留言区分享你的经验与感受。
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最后，感谢你的阅读，如果这篇文章让你有所收获，也欢迎你将它分享给更多的朋友。
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