深入探讨用位掩码代替分支（2）：汇编代码分析

　　查看编译器生成的汇编代码，有助于我们分析程序的性能。

1 让VC6输出编译的汇编代码

　　用VC6打开前一篇文章（http://www.cnblogs.com/zyl910/archive/2012/03/12/noifopex1.html）的工程“noifCheck.dsw”。

　　首先需要配置项目设置——
1.点击菜单栏 “工程”->“Project Settings”打开“Project Settings”对话框。
2.将“Settings For:”设为“Win32 Release”。
3.将右侧的选项卡换到“C/C++”面板。
4.点击“Category:”组合框，选择“Listing Files”（列表文件）。
5.点击“Listing file type:”组合框，选择“Assembly with Source Code”（汇编与源码）。
6.点击“OK”保存设置。

　　然后点击菜单栏 “编译”->“Batch Build...” 进行批生成——

　　编译完成后，可在“Release”文件夹中找到“noifCheck.asm”，它就是编译器为“noifCheck.c”生成的汇编源码。

2 分析“<0”处理

　　打开“noifVC6.asm”，找到“<0”处理的相关汇编代码——

; 45   :     // 检查 “<0”处理
; 46   :     printf("[Test: less0]\n");

    push    OFFSET FLAT:??_C@_0P@GACN@?$FLTest?3?5less0?$FN?6?$AA@ ; `string'
    call    _printf
    add    esp, 4
    mov    esi, OFFSET FLAT:_buf
    mov    edi, 255                ; 000000ffH
$L53259:

; 47   :     for(i=0; i<0x8100; ++i)    // [-32768, 255]
; 48   :     //for(i=0x7FFE; i<=0x8002; ++i)    // [-2, 2]
; 49   :     {
; 50   :         // 加载数值
; 51   :         n = buf[i];

    mov    bx, WORD PTR [esi]

; 52   : 
; 53   :         // 用if分支做饱和处理
; 54   :         m = n;

    mov    eax, ebx

; 55   :         if (m < 0) m = 0;

    cmp    bx, bp
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], eax
    jge    SHORT $L53324
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], ebp
    mov    eax, ebp
$L53324:

; 56   :         by0 = (BYTE)m;
; 57   : 
; 58   :         // 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码
; 59   :         by1 = (BYTE)(n & -(n >= 0));

    setge    cl
    neg    cl
    and    cl, bl

; 60   :         if (by1 != by0)    printf("[Error] 1.1 neg: [%d] %d!=%d\n", n, by0, by1);    // 验证

    cmp    cl, al
    mov    BYTE PTR _by1$[esp+28], cl
    je    SHORT $L53265
    mov    edx, DWORD PTR _by1$[esp+28]
    and    eax, edi
    and    edx, edi
    push    edx
    push    eax
    movsx    eax, bx
    push    eax
    push    OFFSET FLAT:??_C@_0BO@OGNG@?$FLError?$FN?51?41?5neg?3?5?$FL?$CFd?$FN?5?$CFd?$CB?$DN?$CFd?6?$AA@ ; `string'
    call    _printf
    mov    eax, DWORD PTR _m$[esp+44]
    add    esp, 16                    ; 00000010H
$L53265:

; 61   : 
; 62   :         // 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码
; 63   :         by2 = (BYTE)(n & ~((signed short)n >> 15));

    mov    cx, bx
    sar    cx, 15                    ; 0000000fH
    not    cl
    and    cl, bl

; 64   :         if (by2 != by0)    printf("[Error] 1.2 sar: [%d] %d!=%d\n", n, by0, by2);    // 验证

    cmp    cl, al
    mov    BYTE PTR _by2$[esp+28], cl
    je    SHORT $L53260
    mov    ecx, DWORD PTR _by2$[esp+28]
    and    eax, edi
    and    ecx, edi
    movsx    edx, bx
    push    ecx
    push    eax
    push    edx
    push    OFFSET FLAT:??_C@_0BO@EGHC@?$FLError?$FN?51?42?5sar?3?5?$FL?$CFd?$FN?5?$CFd?$CB?$DN?$CFd?6?$AA@ ; `string'
    call    _printf
    add    esp, 16                    ; 00000010H
$L53260:
    add    esi, 2
    cmp    esi, OFFSET FLAT:_buf+66048
    jl    SHORT $L53259

; 65   :     }

　　下面对其进行整理和分析。

2.1 用if分支做饱和处理

　　C语言源码——

// 用if分支做饱和处理
m = n;
if (m < 0) m = 0;
by0 = (BYTE)m;

　　汇编代码—— 

    xor    ebp, ebp    ; 在循环外将ebp设为0。不列入统计。
...
    mov    esi, OFFSET FLAT:_buf    ; 在循环外将esi指向buf。不列入统计。
...
    mov    bx, WORD PTR [esi]    ; 加载数值。不列入统计。
    mov    eax, ebx    ; *复制数据到eax。
    cmp    bx, bp    ; *与0进行比较。
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], eax    ; 存储数值。不列入统计。
    jge    SHORT $L53324    ; *若大于等于就跳转
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], ebp    ; 存储数值。不列入统计。
    mov    eax, ebp    ; *否则将eax设为0。
$L53324:

　　核心指令共4条。

2.2 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码

　　C语言源码——

// 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码
by1 = (BYTE)(n & -(n >= 0));

　　汇编代码—— 

    cmp    bx, bp    ; *与0进行比较。
...
    setge    cl    ; *将大于等于标志赋给cl
    neg    cl    ; *将cl求负
    and    cl, bl    ; *与原数值进行与运算

　　核心指令共4条。

2.3 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码

　　C语言源码——

// 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码
by2 = (BYTE)(n & ~((signed short)n >> 15));

　　汇编代码—— 

    mov    cx, bx    ; 复制当前数据。不列入统计。
    sar    cx, 15    ; *右移15位
    not    cl    ; *对cl逐位取反
    and    cl, bl    ; *与原数值进行与运算

　　核心指令共3条。

3 分析“>255”处理

　　找到“>255”处理的相关汇编代码——

; 67   :     // 检查 “>255”处理
; 68   :     printf("[Test: great255]\n");

    push    OFFSET FLAT:??_C@_0BC@LFG@?$FLTest?3?5great255?$FN?6?$AA@ ; `string'
    call    _printf
    add    esp, 4
    mov    esi, OFFSET FLAT:_buf+65536
$L53272:

; 69   :     for(i=0x8000; i<0x10000; ++i)    // [0, 32767]
; 70   :     //for(i=0x80FE; i<=0x8102; ++i)    // [254, 258]
; 71   :     {
; 72   :         // 加载数值
; 73   :         n = buf[i];

    mov    bx, WORD PTR [esi]

; 74   : 
; 75   :         // 用if分支做饱和处理
; 76   :         m = n;

    mov    ecx, ebx

; 77   :         if (m > 255) m = 255;

    cmp    bx, di
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], ecx
    jle    SHORT $L53275
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], edi
    mov    ecx, edi
$L53275:

; 78   :         by0 = (BYTE)m;
; 79   : 
; 80   :         // 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码
; 81   :         by1 = (BYTE)(n | -(n >= 256) );

    cmp    bx, 256                    ; 00000100H
    setge    al
    neg    al
    or    al, bl

; 82   :         if (by1 != by0)    printf("[Error] 2.1 neg: [%d] %d!=%d\n", n, by0, by1);    // 验证

    cmp    al, cl
    mov    BYTE PTR _by1$[esp+28], al
    je    SHORT $L53278
    mov    eax, DWORD PTR _by1$[esp+28]
    and    ecx, edi
    and    eax, edi
    push    eax
    push    ecx
    movsx    ecx, bx
    push    ecx
    push    OFFSET FLAT:??_C@_0BO@FGBC@?$FLError?$FN?52?41?5neg?3?5?$FL?$CFd?$FN?5?$CFd?$CB?$DN?$CFd?6?$AA@ ; `string'
    call    _printf
    mov    ecx, DWORD PTR _m$[esp+44]
    add    esp, 16                    ; 00000010H
$L53278:

; 83   : 
; 84   :         // 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码
; 85   :         by2 = (BYTE)(n | ((signed short)(255-n) >> 15));

    mov    ax, di
    sub    ax, bx
    sar    ax, 15                    ; 0000000fH
    or    al, bl

; 86   :         if (by2 != by0)    printf("[Error] 2.2 sar: [%d] %d!=%d\n", n, by0, by2);    // 验证

    cmp    al, cl
    mov    BYTE PTR _by2$[esp+28], al
    je    SHORT $L53273
    mov    edx, DWORD PTR _by2$[esp+28]
    and    ecx, edi
    and    edx, edi
    movsx    eax, bx
    push    edx
    push    ecx
    push    eax
    push    OFFSET FLAT:??_C@_0BO@PGLG@?$FLError?$FN?52?42?5sar?3?5?$FL?$CFd?$FN?5?$CFd?$CB?$DN?$CFd?6?$AA@ ; `string'
    call    _printf
    add    esp, 16                    ; 00000010H
$L53273:
    add    esi, 2
    cmp    esi, OFFSET FLAT:_buf+131072
    jl    $L53272

; 87   :     }

　　下面对其进行整理和分析。

3.1 用if分支做饱和处理

　　C语言源码——

// 用if分支做饱和处理
m = n;
if (m > 255) m = 255;
by0 = (BYTE)m;

　　汇编代码—— 

    mov    edi, 255    ; 在循环外将edi设为255。不列入统计。
...
    mov    esi, OFFSET FLAT:_buf    ; 在循环外将esi指向buf。不列入统计。
...
    mov    bx, WORD PTR [esi]    ; 加载数值。不列入统计。
    mov    ecx, ebx    ; *复制数据到ecx。
    cmp    bx, di    ; *与255进行比较。
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], ecx    ; 存储数值。不列入统计。
    jle    SHORT $L53275    ; *若大于等于就跳转
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], edi    ; 存储数值。不列入统计。
    mov    ecx, edi    ; *否则将ecx设为0。
$L53275:

　　核心指令共4条。

3.2 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码

　　C语言源码——

// 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码
by1 = (BYTE)(n | -(n >= 256) );

　　汇编代码—— 

    cmp    bx, 256    ; *与256进行比较。
    setge    al    ; *将大于等于标志赋给al
    neg    al    ; *将al求负
    or    al, bl    ; *与原数值进行或运算

　　核心指令共4条。

3.3 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码

　　C语言源码——

// 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码
by2 = (BYTE)(n | ((signed short)(255-n) >> 15));

　　汇编代码—— 

    mov    ax, di    ; *复制255
    sub    ax, bx    ; * ax = ax - bx = 255 - 当前数据
    sar    ax, 15    ; *右移15位
    or    al, bl    ; *与原数值进行或运算

　　核心指令共4条。

4 分析饱和处理

　　找到饱和处理的相关汇编代码——

; 89   :     // 检查 饱和处理
; 90   :     printf("[Test: saturation]\n");

    push    OFFSET FLAT:??_C@_0BE@BNPN@?$FLTest?3?5saturation?$FN?6?$AA@ ; `string'
    call    _printf
    add    esp, 4
    mov    esi, OFFSET FLAT:_buf
$L53285:

; 91   :     for(i=0; i<0x10000; ++i)    // [-32768, 32767]
; 92   :     //for(i=0x7FFE; i<=0x8102; ++i)    // [-2, 258]
; 93   :     {
; 94   :         // 加载数值
; 95   :         n = buf[i];

    mov    bx, WORD PTR [esi]

; 96   : 
; 97   :         // 用if分支做饱和处理
; 98   :         m = n;

    mov    ecx, ebx

; 99   :         if (m < 0) m = 0;

    cmp    bx, bp
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], ecx
    jge    SHORT $L53288
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], ebp

; 100  :         else if (m > 255) m = 255;

    jmp    SHORT $L53325
$L53288:
    cmp    bx, di
    jle    SHORT $L53290
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], edi
$L53325:
    mov    ecx, DWORD PTR _m$[esp+28]
$L53290:

; 101  :         by0 = (BYTE)m;
; 102  : 
; 103  :         // 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码
; 104  :         by1 = LIMITSU_BYTE(n);

    cmp    bx, bp
    setge    al
    neg    al
    and    al, bl
    cmp    bx, 256                    ; 00000100H
    setge    dl
    neg    dl
    or    al, dl

; 105  :         if (by1 != by0)    printf("[Error] 3.1 neg: [%d] %d!=%d\n", n, by0, by1);    // 验证

    cmp    al, cl
    mov    BYTE PTR _by1$[esp+28], al
    je    SHORT $L53293
    mov    eax, DWORD PTR _by1$[esp+28]
    and    ecx, edi
    and    eax, edi
    push    eax
    push    ecx
    movsx    ecx, bx
    push    ecx
    push    OFFSET FLAT:??_C@_0BO@MGFB@?$FLError?$FN?53?41?5neg?3?5?$FL?$CFd?$FN?5?$CFd?$CB?$DN?$CFd?6?$AA@ ; `string'
    call    _printf
    mov    ecx, DWORD PTR _m$[esp+44]
    add    esp, 16                    ; 00000010H
$L53293:

; 106  : 
; 107  :         // 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码
; 108  :         by2 = LIMITSW_BYTE(n);

    mov    ax, di
    mov    dx, bx
    sub    ax, bx
    sar    ax, 15                    ; 0000000fH
    sar    dx, 15                    ; 0000000fH
    or    al, bl
    not    dl
    and    al, dl

; 109  :         if (by2 != by0)    printf("[Error] 3.2 sar: [%d] %d!=%d\n", n, by0, by2);    // 验证

    cmp    al, cl
    mov    BYTE PTR _by2$[esp+28], al
    je    SHORT $L53286
    mov    eax, DWORD PTR _by2$[esp+28]
    and    ecx, edi
    and    eax, edi
    push    eax
    push    ecx
    movsx    ecx, bx
    push    ecx
    push    OFFSET FLAT:??_C@_0BO@GGPF@?$FLError?$FN?53?42?5sar?3?5?$FL?$CFd?$FN?5?$CFd?$CB?$DN?$CFd?6?$AA@ ; `string'
    call    _printf
    add    esp, 16                    ; 00000010H
$L53286:
    add    esi, 2
    cmp    esi, OFFSET FLAT:_buf+131072
    jl    $L53285
    pop    edi
    pop    esi
    pop    ebp

; 110  :     }

　　下面对其进行整理和分析。

4.1 用if分支做饱和处理

　　C语言源码——

// 用if分支做饱和处理
m = n;
if (m < 0) m = 0;
else if (m > 255) m = 255;
by0 = (BYTE)m;

　　汇编代码—— 

    xor    ebp, ebp    ; 在循环外将ebp设为0。不列入统计。
    mov    edi, 255    ; 在循环外将edi设为255。不列入统计。
...
    mov    esi, OFFSET FLAT:_buf    ; 在循环外将esi指向buf。不列入统计。
...
    mov    bx, WORD PTR [esi]    ; 加载数值。不列入统计。
    mov    ecx, ebx    ; *复制数据到ecx。
    cmp    bx, bp    ; *与0进行比较。
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], ecx    ; *存储数值。
    jge    SHORT $L53288    ; *若大于等于就跳转
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], ebp    ; *存储数值。
    jmp    SHORT $L53325    ; *强制跳转
$L53288:
    cmp    bx, di    ; *与255进行比较。
    jle    SHORT $L53290    ; *若小于等于就跳转
    mov    DWORD PTR _m$[esp+28], edi    ; *存储数值。
$L53325:
    mov    ecx, DWORD PTR _m$[esp+28]    ; *加载数值
$L53290:

　　核心指令共10条。

4.2 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码

　　C语言源码——

// 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码
by1 = LIMITSU_BYTE(n);
// #define LIMITSU_FAST(n, bits) ( (n) & -((n) >= 0) | -((n) >= (1<<(bits))) )

　　汇编代码—— 

    cmp    bx, bp    ; *与0进行比较。
    setge    al    ; *将大于等于标志赋给al
    neg    al    ; *将al求负
    and    al, bl    ; *与原数值进行与运算
    cmp    bx, 256    ; *与256进行比较。
    setge    dl    ; *将大于等于标志赋给dl
    neg    dl    ; *将dl求负
    or    al, dl    ; *与原数值进行或运算

　　核心指令共8条。

4.3 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码

　　C语言源码——

// 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码
by2 = LIMITSW_BYTE(n);
// #define LIMITSW_FAST(n, bits) ( ( (n) | ((signed short)((1<<(bits)) - 1 - (n)) >> 15) ) & ~((signed short)(n) >> 15) )

　　汇编代码—— 

    mov    ax, di    ; *复制255。
    mov    dx, bx    ; 复制当前数据。不列入统计。
    sub    ax, bx    ; * ax = ax - bx = 255 - 当前数据
    sar    ax, 15    ; *右移15位
    sar    dx, 15    ; *右移15位
    or    al, bl    ; *与原数值进行或运算
    not    dl    ; *对dl逐位取反
    and    al, dl    ; *与原数值进行与运算

　　核心指令共7条。

5 小结

　　在做饱和处理时——
1、if分支法：10条指令。不仅用到了多条跳转指令，还需要将变量暂存在比寄存器慢很多的内存中。
2、求负生成掩码法：8条指令。无分支，但仍需访问状态寄存器。
3、移位生成掩码法：7条指令。无分支，避免了状态寄存器访问。