使用 g++ -march=x86-64 构建的代码可以在 32 位操作系统上运行吗？

问题描述

我想我对 x86-64/i686 架构和 32 位/64 位操作系统感到困惑。

如果我在 32 位操作系统（例如 Ubuntu 14.04）上使用 g++ 构建应用程序，则 -m64 不是有效选项，我无法构建 64 位二进制文​​件。但是，g++ 不会抱怨使用 -march=x86-64。 （硬件为酷睿 i7。）

然后，如果我在 64 位操作系统（例如 Ubuntu 20.04）上构建，我可以在 -m32 和 -m64 之间切换并构建 32 位或 64 位二进制文​​件。

所以，我的理解是...

-m32 和 -m64 决定了我可以在哪些操作系统上使用二进制文件。 （包括在 64 位操作系统上使用的 32 位二进制文​​件以及适当的库）

并且 -march 定义将用于代码生成的指令集 - 无论它注定要运行的操作系统是什么。

所以我的主要问题是...

鉴于我可以使用 -m32 -march=x86-64 在 32 位操作系统上构建和运行二进制文件，这是否意味着 x86-64 指令可以在 32 位操作系统上使用？位操作系统？

解决方法

不，64 位指令不能在 32 位操作系统下使用（甚至不能在 64 位内核下的 32 位用户空间中使用），这不是 -march=x86-64 的意思。

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-march=x86-64 表示目标 CPU 支持 x86-64 保证的基线 ISA 扩展集：SSE2、P6 功能，如 CMOV、CPUID、RDTSC 等。但是如果没有 -m64，代码仍然可以在 32 位模式下工作。

（对于 x86-64 的目标 ISA，它们本身并不是“扩展”。但我们仍然通常说 x86-64 意味着 SSE 和 SSE2，因为这是对那些在 XMM 上运行的指令进行分类的方便方法寄存器。如果我们将 x86-64 本身视为 x86 的扩展，这是有道理的。）

所以 -march=x86-64 与 -march=k8 或 -march=nocona（特定于早期的 x86-64 CPU）非常相似。就像这些选项一样，它对 -m32 完全有效，并不意味着制作 64 位代码。 GCC 仍然知道（来自 -m32）它的目标是 32 位模式（受保护或兼容模式），而不是 64 位长模式。

由于这些模式使用不兼容的机器代码格式，因此在制作 16 位代码以让编译器使用 32 位代码时，您可能期望 -march=i386 的 16 位到 32 位转换完全不同寄存器。在 x86-64 中，64 位寄存器只能用于长模式，不能用于兼容模式或遗留模式的任何子模式（例如保护模式）。见https://en.wikipedia.org/wiki/X86-64#Operating_modes

这里的关键点是，在兼容模式下（在 64 位内核下），32 位进程无法执行在保护模式下（在 32 位内核下）无法执行的任何操作。 x86-64 没有为 32 位进程提供在 64 位内核下运行的优势。 （除了将远 jmp 转换为 64 位代码段，但大多数操作系统不支持这一点，编译器肯定不会发出代码来做到这一点。当然使用完整的 4GB 地址空间，但就实际的机器代码指令什么都没有。）因此，没有任何您希望编译器使用的功能只能在 64 位内核下以 32 位模式运行。

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TL:DR：-m32 -march=x86-64 可以解释为“通用 x86-64 CPU 的目标兼容/保护模式”。

实际上它实际上只是意味着“启用这组 ISA 扩展”，并且 该名称对于 GCC 来说没有比 -march=foobarbaz 或 -mtune=intel 更有意义，它只是一个文本字符串调整和 ISA 扩展设置表。