算术与逻辑指令

x86-64 的一些算术和逻辑操作，大部分的指令都类似 mov 的结构和其变种。学习时注意知识的迁移，方便理解。

例如，加法指令同样可以分为四类：addb 、addw、addl 和 addq，分别是字节加法、字加法、双字加法和四字加法。

加载有效地址

加载有效地址（load effective address）指令 leaq/leal 是 movq/movl 指令的变形。

lea 指令区别于 mov 指令的地方在于如何处理源 Src，且 lea 指令的目的地 Dst 必须是寄存器。

指令	源 Src	目的地 Dst	示例	C
leaq/leal	Mem	Reg	leal 5(%rdi,%rdi,8), %eax	9*x + 5

内存上的字节包含两个信息，一个是该字节的内存地址，一个是该字节内部的位模式（数据）。

lea 指令计算出内存地址后，直接将该地址值存入 Dst；而 mov 指令计算出内存地址后，将该字节内部位模式（数据）存入 Dst。

lea 指令常用来简化算术运算，参见上述示例。这种情况与有效地址计算没有任何关系。

注意

指令 lea 在 x86-64 架构中常见的有两种数据大小变种 leaq 和 leal，尝试修改示例的变量类型进行测试。

一元操作

一元操作（unary operation）只有一个操作数 D，既是源又是目的。这个操作数可以是一个寄存器，也可以是一个内存。

指令	效果	说明
inc D	D ← D+1	Increment
dec D	D ← D−1	Decrement
neg D	D ← -D	Negate
not D	D ← ~D	Complement

可以类比 C 中的自增/自减操作。

incq 16(%rax) // 使 16(%rax) 位置的内存值加 1
dec %rdx
not %rcx

二元操作

操作数 S 可以是立即数、寄存器或内存，操作数 D 可以是寄存器或内存。

注意

S 和 D 不能同时为内存！（还记得原因吗？）

可以读作：把 D 中的值加上/减去 S 中的值。

指令	效果	说明
add S, D	D ← D + S	Add
sub S, D	D ← D − S	Subtract
imul S, D	D ← D ∗ S	Multiply
xor S, D	D ← D ^ S	Exclusive-or
or S, D	D ← D | S	Or
and S, D	D ← D & S	And

可以类比 C 中的赋值运算符，例如 x -= y。

addq %rcx,(%rax)
xorq $16,(%rax, %rdx, 8)
subq %rdx,8(%rax)

移位操作

移位操作（shift operation）中，第一项 k 为移位量，第二项 D 是要移位的数据值。可以进行逻辑位移，也可以进行算术位移。

• 移位量 k 可以是立即数，或者单字节寄存器 %cl，注意这里的单字节比较特殊。

• 数据值 D 可以是寄存器或内存。

指令	效果	说明
sal k, D	D ← D << k	Left shift
shl k, D	D ← D << k	Left shift (same as sal)
sar k, D	D ← D >>A k	Arithmetic right shift
shr k, D	D ← D >>L k	Logical right shift

shll $3,(%rax)
shrl %cl,(%rax,%rdx,8)
sarl $4,8(%rax)

单字节寄存器 %cl 有 8 个位，理论上可以实现 0~255 种不同的移位量。但是，实际的移位量只会用到 %cl 低 \(m\) 个位，且 \(m\) 的值由移位的数据值决定。假设数据值的位宽是 \(w\) ，则

\[m = log_2w\]

补充

此类指令有时也会省略 \(k\)，只有一个操作数，此时 \(k\) 默认值为 1。

特殊算术运算

如果将两个 64 位的数相乘，得到的结果需要 128 位来保存。x86-64 指令集对 128 位数的操作提供了 imulq/mulq 两条指令。

此时，不同于上述双操作数的 imul 指令（乘积为 64 位值），这里的 imulq/mulq 是单操作数指令。之所以是单操作数，是因为这两条指令都要求使用 %rax 作默认的一个乘数，另一个乘数以 S 形式给出。乘积则分别存放在 %rdx （高 64 位）和 %rax（低 64 位）中，从而解决了大数乘积的问题。

注意，根据上述分析，imulq 可能出现两种形式，一种是双操作数，另一种是单操作数。 对此不用担心，汇编器会自行判断。

指令	效果	说明
imulq S	R[%rdx]:R[%rax] ← S × R[%rax]	Signed full multiply
mulq S	R[%rdx]:R[%rax] ← S × R[%rax]	Unsigned full multiply

x86-64 支持 128 位的被除数。此时，idivq/divq 默认将 %rdx（高 64 位）和 %rax（低 64 位）构成的值当作被除数；除数则以 S 的形式给出。计算的结果，商存放在 %rax 中，模存放在 %rdx 中。

指令	效果	说明
idivq S	R[%rdx] ← R[%rdx]:R[%rax] mod S; R[%rax] ← R[%rdx]:R[%rax] ÷ S	Signed divide
divq S	R[%rdx] ← R[%rdx]:R[%rax] mod S; R[%rax] ← R[%rdx]:R[%rax] ÷ S	Unsigned divide

对于 64 位的被除数，此时仅需 %rax 就足以保存，%rdx 则根据情况补零（无符号）或补符号位（有符号）。

那么，对于有符号整型除法，如何将 %rax 的符号位填充到 %rdx 中呢？这个操作由 cqto 指令完成。该指令不需要操作数，默认读出 %rax 的符号位，并复制到 %rdx 的所有位中。

指令	效果	说明
cqto	R[%rdx]:R[%rax] ← SignExtend(R[%rax])	Convert to oct word