计算机系统导论 · 第五讲：控制

本页目录

1. 复习：寻址与 leaq
2. 控制流的机器视角
3. 条件码（condition codes）
3.1. 算术指令的隐式设置
3.2. cmp 与 test 的显式设置
3.3. 从条件码得到布尔值：setX
4. 条件跳转与条件传送
4.1. 条件跳转 jX
4.2. 条件传送 cmovX
5. 循环的汇编翻译
5.1. do-while
5.2. while
5.3. for
6. switch 与跳转表
6.1. 基本结构
6.2. 表项与共享代码块
7. 小结

第三章 Lesson5
Control
笔记整理自 2026 年 9 月 21 日课程

1. 复习：寻址与 `leaq`

一般内存操作数写作，表示。其中是位移量，是基址寄存器，是变址寄存器，比例因子只能是。例如 6(%rbx,%rdi,8) 对应地址 %rbx + 8*%rdi + 6。

大多数指令把这种写法当作内存地址来访问；leaq 是例外：它只计算有效地址，不读内存。

leaq 6(%rbx,%rdi,8), %rax    # rax = rbx + rdi*8 + 6
leaq (%rbx,%rbx,2), %rax     # rax = rbx * 3

编译器也常把 leaq 用作算术指令：一次完成加法与有限倍数乘法，并且不改动条件码。常见后缀 b/w/l/q 分别表示字节、16 位、32 位和 64 位操作；反汇编常省略后缀。

2. 控制流的机器视角

高级语言中的 if、循环和 switch 最终都由跳转实现。处理器需要保存：

%rip：下一条将要执行的指令地址；
%rsp：运行时栈顶地址；
通用寄存器：暂存数据与函数参数；
条件码：最近一次算术或逻辑测试的状态。

例如 C 代码

if (x) op1();
else   op2();

可对应为

testl %edi, %edi       # 检查 x 是否为 0
je    .L2              # x == 0 时跳到 else
call  op1
jmp   .L1              # 跳过 else
.L2:
call  op2
.L1:

所以汇编层面本质上是标签与 goto；结构化控制流是编译器生成这种跳转序列的规则。

3. 条件码（condition codes）

条件码是单比特寄存器，常用的四个为：

名称	含义	主要用途
`CF`	Carry Flag，进位标志	无符号运算的溢出或借位
`ZF`	Zero Flag，零标志	结果是否为 0
`SF`	Sign Flag，符号标志	结果按有符号数解释是否为负
`OF`	Overflow Flag，溢出标志	补码有符号运算是否溢出

3.1. 算术指令的隐式设置

以 addq Src, Dest 为例，令。指令写回结果，同时更新条件码：

ZF=1 当且仅当；
SF=1 当且仅当（按有符号数解释）；
CF=1 表示最高位产生进位，可理解为无符号加法溢出；减法时它反映借位；
OF=1 表示有符号补码溢出。加法中，两个同号数相加却得到异号结果时溢出：
。

leaq 不会设置条件码，这使它适合做不应影响后续判断的地址或算术计算。

3.2. `cmp` 与 `test` 的显式设置

cmpq Src2, Src1        # 按 Src1 - Src2 计算条件码，不保存结果
testq Src2, Src1       # 按 Src1 & Src2 计算条件码，不保存结果

注意 AT&T 语法的操作数顺序：cmpq b, a 等价于考察。因此在

cmpq %rsi, %rdi        # 比较 x:y，即计算 x - y 的条件码

之后，可以依据 %rdi 中的与 %rsi 中的的关系跳转。testq %rax,%rax 很常见：它不改变 %rax，但能测试该值是否为零或负数。test 也适合与掩码结合，例如测试某一位是否为 1。

3.3. 从条件码得到布尔值：`setX`

setX 指令根据条件码把目标寄存器的低 1 字节置为 0 或 1，其余字节不变。常用条件如下：

指令	条件	含义
`sete` / `setne`	`ZF` / `~ZF`	相等 / 不相等
`sets` / `setns`	`SF` / `~SF`	负 / 非负
`setg` / `setge`	`~(SF ^ OF) & ~ZF` / `~(SF ^ OF)`	有符号大于 / 大于等于
`setl` / `setle`	`SF ^ OF` / `(SF ^ OF) \| ZF`	有符号小于 / 小于等于
`seta` / `setb`	`~CF & ~ZF` / `CF`	无符号大于 / 小于

对有符号比较，不能只看 SF：发生溢出时，结果的符号位不再反映真实大小。因此的条件是 SF ^ OF。无符号比较则以 CF 为核心。

例：实现 return x > y;：

cmpq   %rsi, %rdi      # x - y
setg   %al             # al = (x > y)
movzbl %al, %eax       # 零扩展为 32 位返回值
ret

setg 只写 %al，所以要用 movzbl 清空 %eax 的其余位。写入 32 位寄存器 %eax 时，硬件也会把 %rax 的高 32 位清零。

4. 条件跳转与条件传送

4.1. 条件跳转 `jX`

jmp 无条件改变 %rip；jX 根据条件码决定是否跳转。其条件与 setX 对应，例如 je、jne、jg、jle、ja、jb。应特别区分：g/l 用于有符号比较，a/b 用于无符号比较。

将

long absdiff(long x, long y) {
  return x > y ? x - y : y - x;
}

翻译为分支形式：

absdiff:
  cmpq %rsi, %rdi
  jle  .Lelse           # x <= y
  movq %rdi, %rax
  subq %rsi, %rax       # x - y
  ret
.Lelse:
  movq %rsi, %rax
  subq %rdi, %rax       # y - x
  ret

通用思路是：先求 !Test，若成立就跳往 Else；否则执行 then 部分，再跳过 else 部分到 Done。

4.2. 条件传送 `cmovX`

条件传送不改变控制流，而是当条件满足时执行 Dest <- Src。对应的 cmovle、cmovg 等条件也来自条件码。上例可以写成：

movq   %rdi, %rax       # result = x - y
subq   %rsi, %rax
movq   %rsi, %rdx       # eval = y - x
subq   %rdi, %rdx
cmpq   %rsi, %rdi
cmovle %rdx, %rax       # x <= y 时选择 eval
ret

条件分支可能打断流水线；条件传送避免控制转移，适合两边计算都很简单的情形。但它必须先算出两个候选值，因此不适用于：

计算开销很大：两条路径都会被计算；
可能非法的表达式：如 p ? *p : 0，p 为零时仍会解引用；
有副作用的表达式：如 x > 0 ? x *= 7 : x += 3，不能让两边都执行。

5. 循环的汇编翻译

5.1. `do-while`

do-while 保证循环体至少执行一次：

do Body while (Test);

其基本的标签形式为：

loop:
  Body;
  if (Test) goto loop;

课件用 pcount_do 统计无符号整数中 1 的个数：每轮将最低位 x & 1 加到 result，再将 x 右移一位。其核心汇编为：

movl $0, %eax           # result = 0
.L2:
movq %rdi, %rdx
andl $1, %edx           # t = x & 1
addq %rdx, %rax
shrq %rdi               # x >>= 1；同时设置条件码
jne  .L2                # x != 0 时继续

shrq 的结果正好决定是否继续，因此无须额外 test。注意：若初始 x=0，do-while 仍会执行一次；但本例第一次加的是 0，所以结果仍正确。

5.2. `while`

while (Test) Body 有两种常见翻译。

跳到中间（-Og 常见）：先无条件跳到测试，再由测试回到循环体。

goto test;
loop:
  Body;
test:
  if (Test) goto loop;
done:

转换为 do-while（优化后常见）：先做一次入口检查；进入后在尾部检查。

if (!Test) goto done;
loop:
  Body;
  if (Test) goto loop;
done:

第二种消除了每次循环开头的跳转，但多了入口保护。选择何种形式由编译器优化策略和分支预测等因素决定。

5.3. `for`

for (Init; Test; Update) Body 与下列代码等价：

Init;
while (Test) {
  Body;
  Update;
}

因此 for 并不是独立的机器级结构，先按上述规则降为 while 即可。对于课件中的

for (i = 0; i < WSIZE; i++) {
  unsigned bit = (x >> i) & 1;
  result += bit;
}

初始化为 i=0；循环体先计算第 i 位并累加；更新 i++ 后重新测试 i<WSIZE。这里 WSIZE=8*sizeof(int) 是固定正数，所以编译器能知道初始的 i=0 一定通过测试，入口保护可被优化掉。

6. `switch` 与跳转表

switch 能表达多路选择，也支持多个 case 共用代码、fall-through（不写 break 继续执行下一个 case）和 default。当 case 值较密集时，编译器通常生成跳转表（jump table），用一次间接跳转完成分派。

6.1. 基本结构

若 x 的合法范围为，跳转表保存每个值对应代码块的地址：

jtab:  Targ0, Targ1, ..., Targ(n-1)
       goto *jtab[x]

每个地址在 x86-64 中占 8 字节，故索引时要乘 8。跳转前必须先检查范围，否则负数或过大的 x 会越界读取表。

课件例中 x 的表范围为：

cmpq $6, %rdi
ja   .L8                # 无符号 x > 6：包括负数，进入 default
jmp  *.L4(,%rdi,8)      # 取地址 .L4 + x*8，再间接跳转

这里使用无符号 ja 很关键：若 x<0，把它解释为无符号数会非常大，同样满足 x>6，从而安全地去 default。

6.2. 表项与共享代码块

跳转表可把不同的输入映射到同一目标：缺失的 case（如 0、4）映射到 default，case 5 与 case 6 共用一个代码块。case 2 的 fall-through 可理解为先完成除法，然后跳到 case 3 的合流处继续加法：

.L5:                    # case 2
  movq %rsi, %rax
  cqto
  idivq %rcx            # rax = y / z
  jmp .L6
.L9:                    # case 3
  movl $1, %eax         # w = 1
.L6:                    # 合流处
  addq %rcx, %rax       # w += z
  ret

理解 switch 汇编时，先找范围检查与间接 jmp，再读取 .rodata 中各表项，最后顺着每个目标块追踪控制流。case 值稀疏时，跳转表会浪费空间，编译器更可能生成一串比较组成的决策树。

7. 小结

条件码记录最近算术或逻辑操作的结果状态；cmp 和 test 专门设置条件码而不保存计算结果。
setX 将比较结果物化为 0/1；jX 通过改变 %rip 实现分支；cmovX 在不跳转的条件下选择值。
有符号比较要考虑 OF，无符号比较主要依赖 CF。不要混用 jg/jl 与 ja/jb。
do-while 在末尾测试；while 可翻译为跳到中间或带入口保护的 do-while；for 可先化为 while。
稠密的 switch 通常使用跳转表，需先做范围检查；表索引按地址宽度缩放。

查看原始笔记

姚行健 (James Yao)

1. 复习：寻址与 leaq

2. 控制流的机器视角

3. 条件码（condition codes）

3.1. 算术指令的隐式设置

3.2. cmp 与 test 的显式设置

3.3. 从条件码得到布尔值：setX