C语言/C++调用汇编语言函数

为设备驱动器和嵌入式系统编码的程序员常常需要把 C/C++ 模块与用汇编语言编写的专门代码集成起来。汇编语言特别适合于直接硬件访问、位映射,以及对寄存器和 CPU 状态标识进行底层访问。

整个应用程序都用汇编语言编写是很乏味的,比较有用的方法是,用 C/C++ 编写主程序,而那些不太好用 C 编写的代码则用汇编语言。现在来讨论一下从 32 位 C/ C++ 程序调用汇编程序的一些标准要求。

C/C++ 程序从右到左传递参数,与参数列表的顺序一致。函数返回后,主调程序负责将堆栈恢复到调用前的状态。这可以采用两种方法:一种是将堆栈指针加上一个数值,该值等于参数大小;还有一种是从堆栈中弹出足够多的数。

在汇编源代码中,需要在 .MODEL 伪指令中指定 C 调用规范,并为外部 C/C++ 程序调用的每个过程创建原型。示例如下:

.586
.model flat,C
IndexOf PROTO,
    srchVal:DWORD, arrayPtr:PTR DWORD, count:DWORD

函数声明

在 C 程序中,声明外部汇编过程时要使用 extern 限定符。比如,下面的语句声明了 IndexOf:

extern long IndexOf(long n, long array[], unsigned count);

如果过程会被 C++ 程序调用,就要添加“C”限定符,以防止 C++ 的名称修饰:

extern "C" long IndexOf(long n, long array[], unsigned count);

名称修饰 (name decoration) 是一种标准 C++ 编译技术,通过添加字符来修改函数名,添加的字符指明了每个函数参数的确切类型。任何支持函数重载(多个函数有相同的函数名、不同的参数列表)的语言都需要这个技术。

从汇编语言程序员的角度来看,名称修饰存在的问题是:C++ 编译器让链接器去找的是修饰过的名称,而不是生成可执行文件时的原始名称。

IndexOf 示例

现在新建一个简单汇编函数,对数组实现线性搜索,找到与样本整数匹配的第一个实例。如果搜索成功,则返回匹配元素的索引位置;否则,返回 -1。该函数将被 C++ 程序调用。在 C++ 中,编写程序段如下:
long IndexOf(long searchVal, long array[], unsigned count)
{
    for(unsigned i = 0; i < count; i++) {
        if(array[i] == searchVal )
            return i;
    }
    return -1;
}
参数包括:希望被找到的数值、一个数组指针,以及数组大小。

用汇编语言编写该函数显然是很容易的。编写好的汇编代码放入自己的源代码文件 IndexOf.asm。这个文件将被编译为目标代码文件 IndexOf.obj。使用 Visual Studio 实现主调 C++ 程序与汇编模块的编译和链接。C++ 项目将用 Win32 控制台作为其输出类型,虽然也没有理由不让它成为图形应用程序。

下面为 IndexOf 模块的源代码清单。
;IndexOf 函数    (IndexOf . asm)
.586
.model flat,C
IndexOf PROTO,
    srchVal:DWORD, arrayPtr:PTR DWORD, count:DWORD

.code
;-------------------------------------------
IndexOf PROC USES ecx esi edi,
    srchVal:DWORD, arrayPtr:PTR DWORD, count:DWORD
;
;对 32 位整数数组执行线性搜索,
;寻找指定数值。如果发现匹配数值,
;用EAX返回该数值的索引位置;
;否则,EAX 返回 -1。
;-------------------------------------------
    NOT_FOUND = -1

    mov    eax, srchVal      ;搜索数值
    mov    ecx, count        ;数组大小
    mov    esi, arrayPtr     ;数组指针
    mov    edi, 0            ;索引

L1:cmp [esi+edi*4],eax
    je found
    inc edi
    loop L1

notFound:
    mov eax,NOT_FOUND
    jmp short exit

found:
    mov eax,edi

exit:
    ret
IndexOf ENDP
END
首先,注意到用于测试循环的汇编代码 25〜28 行,虽然代码量小,但是高效。对要执行很多次的循环,应试图使其循环体内的指令条数尽可能少:

L1: cmp [esi+edi*4],eax
    je found
    inc edi
    loop L1

如果找到匹配项,程序跳转到 34 行,将 EDI 复制到 EAX,该寄存器用于存放函数返回值。在搜索期间,EDI 为当前索引位置。

found:
    mov eax,edi

如果没有找到匹配项,则把 -1 赋值给 EAX 并返回:

notFound:
    mov eax,NOT_FOUND
    jmp short exit

下面为主调 C++ 程序清单。
#include <iostream>
#include <time.h>
#include "indexof.h"
using namespace std;

int main()  {
    // 用伪随机数填充数组
    const unsigned ARRAY_SIZE = 100000;
    const unsigned LOOP_SIZE = 100000;
    char* boolstr[] = {"false","true"};

    long array[ARRAY_SIZE];
    for(unsigned i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
     array[i] = rand();

    long searchVal;
    time_t startTime, endTime;
    cout << "Enter an integer value to find: ";
    cin >> searchVal;
    cout << "Please wait...\n";

    // 测试汇编函数
    time( &startTime );
    long count = 0;

    for( unsigned n = 0; n < LOOP_SIZE; n++)
         count = IndexOf( searchVal, array, ARRAY_SIZE );

    bool found = count != -1;

    time( &endTime );
    cout << "Elapsed ASM time: " << long(endTime - startTime)
          << " seconds. Found = " << boolstr[found] << endl;

    return 0;
}
首先,用伪随机数值对数组进行初始化:

long array [ARRAY_SIZE];
for(unsigned i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
    array[i] = rand();

18〜19 行提示用户输入在数组中搜索的数值:

cout << "Enter an integer value to find:";
cin >> searchVal;

23 行调用 C 链接库的 time 函数(在 time.h 中),把从 1970 年 1 月 1 日起已经过的秒数保存到变量 startTime:

time(&startTime);

26 和 27 行按照 LOOP_SIZE 的值 (100 000),反复执行相同的搜索:

for(unsigned n = 0; n < LOOP_SIZE; n++)
    count = IndexOf(searchVal, array, ARRAY_SIZE);

由于数组大小也约为 100 000,因此执行步骤的总数可以多达 100 000 x 100 000,或 100 亿。31〜33 行再次检查时间,并显示循环运行所耗的秒数:

time(&endTime);
cout << "Elapsed ASM time: " << long(endTime - startTime)
     << "seconds. Found = " << boolstr[found] << endl;

在高速计算机上测试时,循环执行时间为 6 秒。对 100 亿次迭代而言,这个时间不算多,每秒约有 16.7 亿次迭代。重要的是,需要意识到程序重复过程调用的开销(参数入栈,执行 CALL 和 RET 指令)也是 100 000 次。过程调用导致了相当多的额外处理。

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