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写在前面
在前面的三讲中，我们从例子、优化方法、位运算等角度认识了软件的性能优化，接下来我们向底层探索从编译到硬件的一系列内容。本文将简单的介绍编译和指令集相关的内容。
编译
学过编译原理的同学应该了解，程序从源代码编译到可执行文件大概需要经过预处理(Pre-Processing)、编译(Compiling)、汇编(Assembling)和链接(Linking)四个步骤。如下图所示：
预处理会进行一些简单的代码替换等操作，比如将#define的内容进行替换，在这里我们不去讲述。
编译会将经过预处理过的代码进行编译，编译成汇编语言：
汇编语言是便于人去阅读而产生的，实际上机器并不能读懂汇编语言，所以我们需要将其转换成机器能读懂的二进制：
至此我们完成了单个文件的编译过程，将单个文件代码编译成了二进制文件，但是在项目中，我们往往有多个项目文件需要一起编译，这时候就需要用链接器将代码链接到一起：
关于链接，可以阅读《程序员的自我修养：编译、装载与库》一书。
为什么要学习汇编？
- 汇编能够告诉我们编译器什么能干，什么不能干；
- 程序的Bug可能来自于底层，比如当开启过高级别的编译器优化时产生的Bug；此外，编译器也可能会有Bug。
- 有时候我们不得不直接进行汇编级别的代码修改；
- 逆向工程：当代码携带了debug信息后，我们可以用objdump进行反汇编。
x86-64指令集
x86-64指令集的内容非常的多，本章将从Registers、Instructions、Data types和Memory addressing modes四个方面进行简单的介绍。
Registers
如果了解过计算机组成原理的同学应该知道，寄存器是最快的存储硬件，其相应的价格越昂贵，因此寄存器的数量往往是有限的：
虽然寄存器的数量众多，我们只需要了解几个通用的寄存器即可：
通用寄存器(General-purpose registers)就是最普通的用来存储数据的寄存器，所以其数量比较多，其命名中会描述其宽度信息：
Flag寄存器是记录一些状态信息的，例如是否进位或借位(Carry)、是否为零等：
XMM和YMM寄存器是位宽非常大的寄存器，往往用来做高精度运算或者向量运算。
Data types
x86-64指令集有多个数据类型，这些数据类型有多个位宽：
这些位宽会被用在指令中作为后缀来标识。
Instructions
指令就是告诉机器要做什么的东西，例如add就是告诉CPU要做一个加的指令，CPU在接受到这个信息后会进行解析，并告诉各个模块如何操作。
x86-64的指令格式一般采取<opcode><operand_list>的方式，例如addl %edi, %ecx。针对该汇编语言，会有不同的翻译：我们知道加法是两个操作数，那么结果该放哪个寄存器中呢？在AT&T Syntax中，结果会放在第一个寄存器中；而在Intel Syntax中，结果会放在第二个寄存器中。
x86-64指令主要可以分为数据移动(存取)操作、算数逻辑运算和条件跳转运算：
Data Types会被用在指令后面作为位宽标识：
movq -16(%rbp), %rax
这里的q的意思是quad word，也即64位整数。
此外，指令也可以加后缀来标志是零拓展还是符号拓展，如下所示：
movslq %eax,%rdx //把一个32位的整数放到一个64位的整数里
Memory addressing modes
x86-64支持多种访存方式，分为直接访问和间接访问，其中直接访问有：
- Immediate：立即数寻址，基于该立即数进行寻址；
- Register：寄存器寻址，通过寄存器内的数据进行访问；
- Direct：使用特定地址的数据作为寻址的目标：
movq 0x172, %rdi
间接访问有：
- Register indirect：直接将寄存器中的数据作为地址进行寻址：
movq %rax, %rdi - Register indexed：基于寄存器中的数据做常数偏移寻址：
movq 172(%rax), %rdi - Instruction-pointer relative：基于指令寄存器做常数偏移寻址，主要用来做跳转指令寻址：
movq 172(%rip), %rdi - base indexed scale displacement：最常用的寻址方式，如下图所示：
每次基于该方式寻址时，其计算地址公式为：
后记
无论是编译还是x86-64指令集都不是一篇小小的文章能够介绍玩的，笔者推荐以下的一些内容可供读者参考：
- 《编译原理》(龙书)
- 《汇编语言》 网上
- 《程序员的自我修养：链接、装载与库》
如果对x86-64感兴趣，也可以阅读Intel官方的文档。
