24章使用x64下的SIMD来处理浮点数 · 逆向工程基础

# 24章使用x64下的SIMD来处理浮点数当然，在增加了x64扩展这个特性之后，FPU在x86兼容处理器中还是存在的。但是同事，SIMD扩展（SSE, SSE2等）已经有了，他们也可以处理浮点数。数字格式依然相同（使用IEEE754标准）。所以，x86-64编译器通常都使用SIMD指令。可以说这是一个好消息，因为这让我们可以更容易的使用他们。 24.1 简单的例子 ``` #!cpp double f (double a, double b) { return a/3.14 + b*4.1; }; ``` 清单24.1： MSFC 2012 x64 /Ox ``` #!bash __real@4010666666666666 DQ 04010666666666666r ; 4.1 __real@40091eb851eb851f DQ 040091eb851eb851fr ; 3.14 a$ = 8 b$ = 16 f PROC divsd xmm0, QWORD PTR __real@40091eb851eb851f mulsd xmm1, QWORD PTR __real@4010666666666666 addsd xmm0, xmm1 ret 0 f ENDP ``` 输入的浮点数被传入了XMM0-XMM3寄存器，其他的通过栈来传递。 a被传入了XMM0，b则是通过XMM1。 XMM寄存器是128位的（可以参考SIMD22一节），但是我们的类型是double型的，也就意味着只有一半的寄存器会被使用。 DIVSD是一个SSE指令，意思是“Divide Scalar Double-Precision Floating-Point Values”（除以标量双精度浮点数值），它只是把一个double除以另一个double，然后把结果存在操作符的低一半位中。常量会被编译器以IEEE754格式提前编码。 MULSD和ADDSD也是类似的，只不过一个是乘法，一个是加法。函数处理double的结果将保存在XMM0寄存器中。这是无优化的MSVC编译器的结果：清单24.2： MSVC 2012 x64 ``` #!bash __real@4010666666666666 DQ 04010666666666666r ; 4.1 __real@40091eb851eb851f DQ 040091eb851eb851fr ; 3.14 a$ = 8 b$ = 16 f PROC movsdx QWORD PTR [rsp+16], xmm1 movsdx QWORD PTR [rsp+8], xmm0 movsdx xmm0, QWORD PTR a$[rsp] divsd xmm0, QWORD PTR __real@40091eb851eb851f movsdx xmm1, QWORD PTR b$[rsp] mulsd xmm1, QWORD PTR __real@4010666666666666 addsd xmm0, xmm1 ret 0 f ENDP ``` 有一些繁杂，输入参数保存在“shadow space”（影子空间，7.2.1节），但是只有低一半的寄存器，也即只有64位存了这个double的值。 GCC编译器生成了几乎一样的代码。 ## 24.2 通过参数传递浮点型变量 ``` #!cpp #include <math.h> #include <stdio.h> int main () { printf ("32.01 ^ 1.54 = %lf\n", pow (32.01,1.54)); return 0; } ``` 他们通过XMM0-XMM3的低一半寄存器传递。清单24.3： MSVC 2012 x64 /Ox ``` #!bash $SG1354 DB ’32.01 ^ 1.54 = %lf’, 0aH, 00H __real@40400147ae147ae1 DQ 040400147ae147ae1r ; 32.01 __real@3ff8a3d70a3d70a4 DQ 03ff8a3d70a3d70a4r ; 1.54 main PROC sub rsp, 40 ; 00000028H movsdx xmm1, QWORD PTR __real@3ff8a3d70a3d70a4 movsdx xmm0, QWORD PTR __real@40400147ae147ae1 call pow lea rcx, OFFSET FLAT:$SG1354 movaps xmm1, xmm0 movd rdx, xmm1 call printf xor eax, eax add rsp, 40 ; 00000028H ret 0 main ENDP ``` 在Intel和AMD的手册中（见14章和1章）并没有MOVSDX这个指令，而只有MOVSD一个。所以在x86中有两个指令共享了同一个名字（另一个见B.6.2）。显然，微软的开发者想要避免弄得一团糟，所以他们把它重命名为MOVSDX，它只是会多把一个值载入XMM寄存器的低一半中。 pow（）函数从XMM0和XMM1中加载参数，然后返回结果到XMM0中。然后把值移动到RDX中，因为接下来printf()需要调用这个函数。为什么？老实说我也不知道，也许是因为printf()是一个参数不定的函数？清单24.4：GCC 4.4.6 x64 -O3 ``` #!bash .LC2: .string "32.01 ^ 1.54 = %lf\n" main: sub rsp, 8 movsd xmm1, QWORD PTR .LC0[rip] movsd xmm0, QWORD PTR .LC1[rip] call pow ; result is now in XMM0 mov edi, OFFSET FLAT:.LC2 mov eax, 1 ; number of vector registers passed call printf xor eax, eax add rsp, 8 ret .LC0: .long 171798692 .long 1073259479 .LC1: .long 2920577761 .long 1077936455 ``` GCC让结果更清晰，printf（）的值传入到了XMM0中。顺带一提，这是一个因为printf()才把1写入EAX中的例子。这意味着参数会被传递到向量寄存器中，就像标准需求一样（见21章）。 ## 24.3 比较式的例子 ``` #!cpp double d_max (double a, double b) { if (a>b) return a; return b; }; ``` 清单 24.5： MSVC 2012 x64 /Ox ``` #!bash a$ = 8 b$ = 16 d_max PROC comisd xmm0, xmm1 ja SHORT $LN2@d_max movaps xmm0, xmm1 $LN2@d_max: fatret 0 d_max ENDP ``` 优化过的MSVC产生了很容易理解的代码。 COMISD是“Compare Scalar Ordered Double-Precision Floating-Point Values and Set EFLAGS”（比较标量双精度浮点数的值然后设置EFLAG）的缩写，显然，看着名字就知道他要干啥了。非优化的MSVC代码产生了更加丰富的代码，但是仍然不难理解：清单 24.6： MSVC 2012 x64 ``` #!bash a$ = 8 b$ = 16 d_max PROC comisd xmm0, xmm1 ja SHORT $LN2@d_max movaps xmm0, xmm1 $LN2@d_max: fatret 0 d_max ENDP ``` 但是，GCC 4.4.6生成了更多的优化代码，并且使用了MAXSD（“Return Maximum Scalar Double-Precision Floating-Point Value”，返回最大的双精度浮点数的值）指令，它将选中其中一个最大数。清单24.7： GCC 4.4.6 x64 -O3 ``` #!bash a$ = 8 b$ = 16 d_max PROC movsdx QWORD PTR [rsp+16], xmm1 movsdx QWORD PTR [rsp+8], xmm0 movsdx xmm0, QWORD PTR a$[rsp] comisd xmm0, QWORD PTR b$[rsp] jbe SHORT $LN1@d_max movsdx xmm0, QWORD PTR a$[rsp] jmp SHORT $LN2@d_max $LN1@d_max: movsdx xmm0, QWORD PTR b$[rsp] $LN2@d_max: fatret 0 d_max ENDP ``` ## 24.4 总结只有低一半的XMM寄存器会被使用，一组IEEE754格式的数字也会被存在这里。显然，所有的指令都有SD后缀（标量双精度数），这些操作数是可以用于IEEE754浮点数的，他们存在XMM寄存器的低64位中。比FPU更简单的是，显然SIMD扩展并不像FPU以前那么混乱，栈寄存器模型也没使用。如果你像试着将例子中的double替换成float的话，它们还是会使用同样的指令，但是后缀是SS（标量单精度数），例如MOVSS，COMISS，ADDSS等等。标量（Scalar）代表着SIMD寄存器会包含仅仅一个值，而不是所有的。可以在所有类型的值中生效的指令都被“封装”成同一个名字。