在一条指令中与操作数具有相同的寄存器合法吗？

问题描述

例如，以下是X86-64指令：

movq (%rdi),%rdi

它读取内容（由%rdi指向）并将此内容设置为%rdi，这在顺序逻辑中有效吗？

还是我们必须将其分配给其他寄存器，然后将其移回为：

movq (%rdi),%rsi
movq rsi,%rdi

解决方法

在同一指令中重新使用寄存器不仅合法，而且非常普遍。

在机器代码中，CPU寄存器是快速的，因此是首选的存储方式，但数量有限。在高级语言中，您不能用完变量（在需要时声明一个新变量）—编译器和汇编语言程序员倾向于将使用时不会重叠的变量映射到同一存储中。

此外，在机器代码中，我们看到了许多短期变量，而在高级语言中则看不到这些变量，它们被称为临时变量或表达式临时变量。像机器语言中的a[i]这样的简单表达式需要计算a + i * 4，这可能需要临时保持a或i或也许i * 4等。临时变量是短寿命变量，并且只要它们在后续表达式中不再需要它们，那么保存它们的CPU寄存器就可以立即用于其他用途。

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某些ISA对某些指令有限制，例如较旧的ARM在对umull的源和目标使用相同的reg时有一些限制。这些危害始终记录在指令集参考手册 ¹ 中。

Intel和AMD的x86手册没有任何此类限制（8086/186 ² 上的push sp除外），因此您始终可以假定x86-64指令完全像您期望的那样先读取其所有输入操作数，然后再写入任何输出操作数。 （无论如何，这是CPU内部管道的正常状态。）

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脚注1 ：例如，UMULL{S}{cond} RdLo,RdHi,Rn,Rm says的Keil的ISA参考：
Rn在ARMv6之前的体系结构中必须不同于RdLo和RdHi。
（该指令执行的是x86 mul的整数倍运算，但是具有一对显式输出而不是EDX：EAX，并且具有两个显式源。）

如果对ISA存在任何奇怪的限制，通常会涉及到乘法。例如，MIPS在multu及其HI：LO寄存器对周围也有很多怪异之处。此old MIPS R3000 manual解释说，即使发生中断，紧接multu之后的mflo仍可能启动，从而导致从中断恢复后的损坏状态。您需要先用2条指令将一个乘法结果读回普通寄存器，然后再开始另一个乘法。另请参见Raymond Chen's blog。

这些软件“危险”与https://en.wikipedia.org/wiki/Hazard_(computer_architecture)的概念相同，但是它们是硬件不处理的情况，而不是乱序执行的情况需要检测。

x86没有任何这些软件危险；我仅提及其他ISA进行比较并以此作为关注点。

脚注2 ：

早期的x86 CPU是经过微编码而不是流水线化的，push的微代码实现实际上对最早的x86 CPU产生了怪异的影响。参见the pre-286 note in Intel's manual entry for push：

对于从Intel 286开始的IA-32处理器，PUSH ESP指令将执行该指令之前存在的ESP寄存器的值压入。 （对于Intel 64架构，IA-32架构的实地址和虚拟8086模式也是如此。）对于Intel®8086处理器，PUSH SP指令将SP寄存器的新值压入（即减少了2）。

但是对于286及更高版本（包括所有x86-64 CPU）而言，它的工作方式就像在写入任何操作数之前都已对其进行了读取，包括push rsp或push [rsp + 8]一样。

PUSH ESP指令将执行指令之前存在的ESP寄存器的值压入。如果PUSH指令使用其中的ESP寄存器用于计算操作数地址的内存操作数，则在ESP寄存器递减之前计算操作数的地址。

pop还必须记录pop rsp首先将堆栈指针递减 的事实，然后再将装入结果写入寄存器。因此pop rsp = mov rsp,[rsp]，之后没有add rsp,8。 （本文中对此进行了描述。英特尔的伪代码未使用临时字符，因此无法正确描述该特殊情况。）

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顺便说一句，您可以在编译器输出中找到许多示例示例。例如当源是具有寄存器寻址模式的内存操作数时，您正在通过链接列表或树进行指针追逐（如果这是在循环中，否则您将在遍历间接层时重用寄存器）。

int foo(int ****p) {
   int tmp = ****p;
   return tmp * 2;
}

由clang 10.1 -O3 for x86-64编译：

foo(int****):
        mov     rax,qword ptr [rdi]
        mov     rax,qword ptr [rax]
        mov     rax,qword ptr [rax]         # write-only destination
        mov     eax,dword ptr [rax]
        add     eax,eax                     # EAX += EAX,read-write destination
        ret