Question

作为一个刚接触组装的人，我使用gcc进行逆向工程。但现在我遇到了一个有趣的问题：我尝试将两个64位整数乘以x86-64。 C代码如下：

unsigned long long 
val(unsigned long long a, unsigned long long b){
    return a*b;
}

并使用gcc编译：

val:
    movq    %rdi, %rax
    imulq   %rsi, %rax
    ret

对无符号整数使用有符号乘法可能违反直觉，但它适用于C.

但是，我想检查溢出的乘法。现在，如果结果大于2^63-1，则设置溢出标志（我猜因为它毕竟是带符号的乘法）。但是对于无符号64位，只要结果不大于2^64-1，这仍然可以。

在这种情况下进行乘法（在装配中）的正确方法是什么？

Answer 1

看起来如果没有一堆额外的代码就不能使用imul，因为CF和OF都设置相同。正如the "operation" section of the manual所述，如果完整的128b结果与sign_extend(low_half_result)不匹配，则会设置它们。所以你是对的，即使是imul的多操作数形式仍然有一些签名的行为。如果他们像add / sub并且独立设置OF和CF那么会很好，所以你可以查看CF表示无符号数据或OF表示签名数据。

找到一个好的asm序列的最佳方法之一是询问编译器。 C没有方便的整数溢出检测but Rust does。

我编译了这个函数来返回值和unsigned-wraparound检测bool。显然Rust的ABI返回它们作为隐藏的第一个arg传递指针，而不是rdx：rax，就像我认为C ABI会用于这样一个小结构。：（

pub fn overflowing_mul(a: u64, b: u64) -> (u64, bool) {
  a.overflowing_mul(b)
}

    # frame-pointer boilerplate elided
    mov     rax, rsi
    mul     rdx
    mov     qword ptr [rdi], rax
    seto    byte ptr [rdi + 8]

    mov     rax, rdi                # return the pointer to the return-value
    ret

来自Godbolt compiler explorer (Rust 1.7.0)的Asm输出。这或多或少地证实了mov指令和单操作数完全乘法的额外uop比在双操作数imul之后使用额外检查所做的任何事情都更有效。

documentation for mul说

“如果结果的上半部分为0，OF和CF标志设置为0;否则，它们设置为1.”

总而言之，使用mul并检查OF或CF，看看上半部分是否为非零。

`mul`与`imul`琐事：

只有全乘（N x N => 2N）结果的上半部分在imul和mul之间不同。我认为英特尔选择了imul作为具有多个显式操作数的那个 imul r32, r32, sign-extended-imm8会更有意义，因为符号扩展可能比零扩展更有用。

我只是意识到imul的标志结果只是签名的。有趣的是。

为什么gcc不使用mul进行无符号乘法？

因为单操作数mul / imul较慢（根据Agner Fog's insn tables，在Intel CPU上为2 uops而不是1。另请参阅x86标记wiki）。他们还使用了更多的寄存器：它们需要rax中的一个输入，并在rdx:rax中生成输出，因此通常需要额外的mov指令来将数据移入/移出这些寄存器

因此，如果你不关心标志结果，imul r64, r64是比mul r64更好的选择。

在Intel CPU上imul r64,r64实际上比mul r32更快。在其他一些CPU上并非如此，包括AMD Bulldozer系列，其中64位乘法有些慢。但是，由于mul r32将其结果放入edx:eax而不是仅仅一个目标寄存器，因此无论如何它们都不是彼此的直接替换。

Answer 2

当乘以两个值时，无论是无符号乘法还是有符号乘法，结果的最低有效位都完全相同。因此，如果乘以两个32位值，则得到64位结果，其中低32位是相同的，无论乘法是有符号还是无符号。对于64位乘法也是如此，它产生128位结果，在这两种情况下，其中较低的64位相同。

因此，编译器经常使用IMUL指令（其助记符建议使用有符号乘法）用于两种类型的乘法，因为它比MUL更灵活，并且通常更快。 MUL只有一种形式（允许任意通用寄存器或存储器位置乘以隐含的目标寄存器AL / AX / EAX / RAX），IMUL有多种形式，包括单操作数形式（与MUL相同），双操作数形式（寄存器或存储器×寄存器或存储器或立即数），以及三操作数形式（寄存器或存储器×立即，将结果存储在第三个目的地登记册）。英特尔文档中提供了更多详细信息（请参阅x86标记wiki以获取链接），或MUL和IMUL的快速参考。

编译器可以一直使用IMUL的原因是因为你丢弃了结果的高位。当您执行32位×32位乘法并将结果存储在32位变量中时，将丢弃整个64位结果的高32位。同样，对于64位×64位乘法也是如此，它丢弃了128位结果的高64位，只留下低64位，无论是有符号还是无符号乘法都是相同的。 / p>

引自英特尔手册：

[IMUL]的两个和三个操作数形式也可以与无符号操作数一起使用，因为无论操作数是有符号还是无符号，产品的下半部分都是相同的。但是，CF和OF标志不能用于确定结果的上半部分是否为非零。

彼得·科德斯在他的larger answer to a very general question on two's-complement arithmetic operations的一部分中也很好地解释了这一点。

无论如何，在自己编写汇编代码时，您必须决定是否要执行编译器所做的相同操作，并丢弃产品的高位，或者是否要保留它们。如果您不关心高位并假设操作不会溢出，请编写与编译器相同的代码。

如果你关心高位，只需使用MUL指令，如果乘法的乘积大于其操作数的类型，则设置CF和OF标志。

mov  rax, QWORD PTR [a]   ; put 64-bit operand 'a' into RAX
mov  rbx, QWORD PTR [b]   ; put 64-bit operand 'b' into RBX
mul  rbx                  ; multiply 'a' * 'b'
; 128-bit result is returned in RDX:RAX (upper-bits:lower-bits)

jo  ProductOverflowed

在这里使用MUL几乎肯定比尝试找到使用IMUL的方法并在之后测试高64位以查看它们是否为非零（这表示溢出）更有效）。简单地拥有一个不可预测的分支将使您在性能方面落后，相比之下，使用IMUL保存1或2μs。

C unsigned long long和imulq

2 个答案:

`mul`与`imul`琐事：

C unsigned long long和imulq

2 个答案:

mul与imul琐事：

`mul`与`imul`琐事：