C++内联汇编 asm 使用 volatile关键字效果验证

一般认为，C++内联汇编 asm 使用 volatile关键字可以避免编译器优化使得 asm volatile 语句被 delete or reorder.

本文给出一个volatile关键字避免asm语句被delete的例子。

CPU上使用GCC编译器的asm volatile验证实验代码来源：

Extended Asm (Using the GNU Compiler Collection (GCC))

The difference between asm, asm volatile and clobbering memory

讨论了

An asm instruction without any output operands will be treated identically to a volatile asm instruction.

没有任何输出操作数的 asm 指令将与易失性 asm 指令相同。

考虑以下实验代码 time.cpp

The following example demonstrates a case where you need to use the volatil qualifier. It uses the x86 rdtsc instruction, which reads the computer’s time-stamp counter. Without the volatile qualifier, the optimizers might assume that the asm block will always return the same value and therefore optimize away the second call.

下面的示例演示了需要使用 volatile 限定符的情况。它使用 x86 rdtsc 指令，该指令读取计算机的时间戳计数器。如果没有volatile 限定符，优化器可能会假设 asm 块将始终返回相同的值，因此优化了第二次调用。

#include <iostream>
#include <cstdint>

int main() {
    uint64_t msr;

    // Read Time Stamp Counter (TSC)
    asm  (
        "rdtsc\n\t"            // Returns the time in EDX:EAX.
        "shl $32, %%rdx\n\t"  // Shift the upper bits left.
        "or %%rdx, %0"        // 'Or' in the lower bits.
        : "=a" (msr)           // Output operand (result)
        :                      // No input operand
        : "rdx"                // Clobbered register (rdx)
    );

    printf("msr: %llx\n", msr);

    // Do other work...

    // Reprint the timestamp
    asm  (
        "rdtsc\n\t"            // Returns the time in EDX:EAX.
        "shl $32, %%rdx\n\t"  // Shift the upper bits left.
        "or %%rdx, %0"        // 'Or' in the lower bits.
        : "=a" (msr)           // Output operand (result)
        :                      // No input operand
        : "rdx"                // Clobbered register (rdx)
    );

    printf("msr: %llx\n", msr);

    return 0;
}

那么我们先使用上面这个没有 volatile 的版本，在这个代码下，如果GCC不使用编译优化，即O0级别，那么不会对 asm 做优化，两次调用后会输出不同的结果。

[ws@eos test]$ gcc -O0 time.cpp -o time
[ws@eos test]$ ./time
msr: d4fc56d3b7
msr: d4fc5899f5

但如果是O1到O3的优化，都会将第二次asm语句调用优化掉

[ws@eos test]$ gcc -O1 time.cpp -o time
[ws@eos test]$ ./time
msr: 2a234fa0031
msr: 2a234fa0031
[ws@eos test]$ gcc -O3 time.cpp -o time
[ws@eos test]$ ./time
msr: 2a4c2230e30
msr: 2a4c2230e30

而如果采用 asm volatile 的版本

#include <iostream>
#include <cstdint>

int main() {
    uint64_t msr;

    // Read Time Stamp Counter (TSC)
    asm volatile (
        "rdtsc\n\t"            // Returns the time in EDX:EAX.
        "shl $32, %%rdx\n\t"  // Shift the upper bits left.
        "or %%rdx, %0"        // 'Or' in the lower bits.
        : "=a" (msr)           // Output operand (result)
        :                      // No input operand
        : "rdx"                // Clobbered register (rdx)
    );

    printf("msr: %llx\n", msr);

    // Do other work...

    // Reprint the timestamp
    asm volatile (
        "rdtsc\n\t"            // Returns the time in EDX:EAX.
        "shl $32, %%rdx\n\t"  // Shift the upper bits left.
        "or %%rdx, %0"        // 'Or' in the lower bits.
        : "=a" (msr)           // Output operand (result)
        :                      // No input operand
        : "rdx"                // Clobbered register (rdx)
    );

    printf("msr: %llx\n", msr);

    return 0;
}

即使是在GCC最激进的O3优化下，第二段 asm volatile 也没有被优化，两次调用输出不一样的结果。

[ws@eos test]$ gcc -O3 time.cpp -o time
[ws@eos test]$ ./time
msr: 2ff9db6dbe3
msr: 2ff9db870eb