3.5 算術和邏輯操作
下圖列出了一些雙字整數操作，分爲四類。二元操作有兩個操作數，而一元操作只有一個操作數。描述這些操作數的符號與3.4節中使用的符號完全相同，除了leal以外，每條指令都有對應的對字和對字節操作的指令。把後綴l換成w就是對字的操作，換成b就是對字節的操作。例如，addl對應有addw和addb。
這裏面比較特別的指令就是leal（取地址指令），其餘的指令都是比較常規的算術和邏輯運算，相比之下還比較好理解，因此LZ這裏重點介紹leal指令，對於其餘的指令LZ不會一一介紹，接下來我們就認識一下這個特別的leal指令吧。
leal指令
leal指令是非常神奇的一個指令，它可以取一個存儲器操作數的地址，並且將其賦給目的操作數。如果用C語言當中來對應的話，它就相當於&運算。
比如對於leal 4(%edx,%edx,4),%eax這條指令來講，我們假設%edx寄存器的值爲x的話，那麼這條指令的作用就是將 4 + x + 4x = 5x + 4賦給%eax寄存器。它和mov指令的區別就在於，假設是movl 4(%edx,%edx,4),%eax這個指令，它的作用是將內存地址爲5x+4的內存區域的值賦給%eax寄存器，而leal指令只是將5x+4這個地址賦給目的操作數%eax而已，它並不對存儲器進行引用的值的計算。
爲了更好的表示這條指令的效果，LZ這裏簡單的畫個圖來表示這一過程。我們假設下圖是執行指令之前，寄存器和存儲器的狀態。
可以看到，此時在存儲器中，地址爲5x+4的區域的值爲1000。那麼此時若是進行movl 4(%edx,%edx,4),%eax操作，很顯然，%eax的值應該爲1000，也就是下圖。
但是如果進行leal 4(%edx,%edx,4),%eax操作的話，%eax的值就不是1000了，因爲leal指令不會去取存儲器當中的值，因此寄存器%eax的值應該是5x+4。
試想一下，倘若在地址爲5x+4的位置存儲的是變量i，那麼其實這條指令就相當於&i操作，這也就是C語言當中的&取地址操作的彙編級做法。
一個示例
int arith(int x, int y , int z){
int t1 = x+y;
int t2 = z*48;
int t3 = t1&0xFFFF;
int t4 = t2*t3;
return t4;
}
這裏麪包含了加、乘、與運算，我們使用-O1和-S參數編譯sum.c這個文件，使用cat sum.s查看它，會得到如下的彙編代碼。
.file "sum.c"
.text
.globl arith
.type arith, @function
arith:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
//以上爲棧幀建立
movl 16(%ebp), %eax
leal (%eax,%eax,2), %edx
sall $4, %edx
movl 12(%ebp), %eax
addl 8(%ebp), %eax
andl $65535, %eax
imull %edx, %eax
//以下爲棧幀完成
popl %ebp
ret
.size arith, .-arith
.ident "GCC: (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5.1) 4.4.3"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits
這裏面還有leal指令，可以看到程序當中並沒有取地址&操作，所以這裏的leal指令不是用來取地址的，LZ使用圖示來給各位演示這個程序的運行過程。首先便是棧幀的建立過程，棧幀建立好以後，寄存器和存儲器的狀態如下所示。
以上便是建立好的棧幀，同上一次一樣，幀指針和棧指針都指向一個新的位置，在幀指針偏移量爲8、12、16的地方存儲着傳遞進來的參數x、y、z。接下來我們就開始分析，在彙編代碼層次，是如何完成上述C語言程序當中的一系列動作的。
首先是一個mov指令，它的作用很簡單，就是將參數z取入寄存器，下面是它的彙編代碼以及圖示。
movl 16(%ebp), %eax
上面的指令比較簡單，接下來的這條指令就比較特別了，是一條leal指令。這裏的leal指令不是用來取地址的，而是用來進行乘法運算的，它的目的是將%eax寄存器當中的值乘以3，然後發送至%edx寄存器。而採用的方式則是2*x + x的方式，這正是我們之前講過的乘法優化算法，使用移位和加法來計算乘法。接下來看看它的指令與圖示。
leal (%eax,%eax,2), %edx
上面計算3z的目的，在接下來這一條指令就看出來了。接下來的一條指令是sal左移操作，位數爲4，左移4位其實就相當於乘以16，因此接下來的一條指令其實就相當於將寄存器%edx當中的值乘以16，這其實剛好是在計算48*z。從這裏也可以看出來，在執行C程序的時候，並不一定會按照程序當中的順序去計算。以下是sal指令的內容與圖示。
sall $4, %edx
接下來的指令依然是簡單的取參數y，因此LZ這裏就不再多解釋了，直接上內容和圖示。
movl 12(%ebp), %eax
下面的一條指令是add加法指令，它是將左邊操作數的值加到右邊的目的操作數。也就是將內存地址爲8(%ebp)的值加到%eax寄存器，而8(%ebp)這個位置存的剛好是x，因此這裏計算的便是x+y的值，而結果會存入%eax寄存器。以下是指令的內容和圖示。
addl 8(%ebp), %eax
接下來是一條與運算指令and，它計算的則是t1與0xFFFF（十進制就是65535）的與運算，t1的值爲x+y，此時就存在%eax寄存器。我們來看下這條指令的內容與圖示。
andl $65535, %eax
接下來是最後一個計算過程的指令imul乘法指令，它的作用也是將左邊操作數的值乘到右邊的目的操作數上。也就是將%edx寄存器的值乘到%eax寄存器上面去，而%edx此時的值爲48*z（也就是t2），而%eax的值爲(x+y)&0xFFFF（也就是t3），兩者相乘則得到t4的值，結果將存在%eax寄存器，並且作爲返回值返回。以下爲內容與圖示。
imull %edx, %eax
到此，我們整個計算過程就結束了，其中用到了一些算術與邏輯運算指令，其實它們並沒有什麼難度，相信各位在LZ的圖示解釋下，應該也不難明白。最後則是棧幀的完成部分，以下爲當前幀釋放後的狀態。
在這裏LZ提一點，各位猿友估計也注意到了，每次在%ebp偏移量爲4的位置都是空着的，而參數都在8、12、16這樣的位置，難道偏移量爲4的位置是空的嗎。這裏其實不是空的，它存儲的是返回地址，只是LZ這裏爲了簡化理解。
3.5.2 一元和二元操作
第二類操作是一元操作，只有一個操作數，既做源，也做目的。這個操作數可以是一個寄存器，也可以是一個儲存器位置，比如說，incl(%esp）會使得棧頂元素加一。
第三類是二元操作，第二個操作數既是源又是目的，這種語法想c中的+=的賦值運算。例如，指令subl %eax,%edx是的寄存器%edx的值減去%eax的值。第一個操作數可以是立即數，寄存器或是存儲器位置。第二個操作數可以是寄存器或是儲存器位置。不過同movl指令一樣，兩個操作數不能同時都是存儲器位置
3.5.3 移位操作
最後一類是移位操作，先給出移位量，然後是待移位的值。可以進行算術和邏輯右移。移位量用單個字節編碼。移位量可以是一個立即數，或者放在單字節jicunq元素%cl中。左移指令有兩個名字，sall和shll，兩者的效果都一樣，都是將右邊天上0.左移指令不用，sarl執行算術移位（t填上符號位），而shrl執行邏輯移位。
示例
假設我們生成這個C函數的彙編代碼
int shift_left2_rightn(int x,int n)
{
x<<=2;
x>>=n;
return x;
}
下面這段代碼執行實際的移位，並將最後的結果放在寄存器%eax中，參數x和n分別存放在儲存器中相對於寄存器%ebp中地址偏移8和12的地方
1 movl 12(%ebp),%ecx
2 movl 8(%ebp),%eax
3 ____________
4 ____________
3.5.4討論
看書
3.5.5 特殊的算術操作
我們先來看看這些指令的大致介紹，如果各位看過上一章的話，會發現這裏的指令有的會有些眼熟，但是它們的作用卻截然不同。以下是書中的一張概圖。
第一個指令有些眼熟吧，它就是我們上一章當中的imul乘法指令的雙字形式。不過可以看出，這裏的imull指令已經完全變了味道，它將結果存入兩個寄存器。接下來，我們來仔細看看這些指令。
imull、mull指令
這兩個指令一看就是雙胞胎，它們一個負責有符號全64位乘法，一個負責無符號全64位乘法。細心的猿友會發現，imull這個指令好像是負責乘法的指令，而且在之前的乘法並沒有區分有符號和無符號，現在怎麼又成雙胞胎指令了。
我們上一章當中出現的指令是imul指令，當它操作雙字的時候，也就是imull指令。不過不同的是，它的一般形式是imul S D，這裏有兩個操作數，它將計算S和D的乘積並截斷爲雙字，然後存儲在D當中。由於在截斷時，無符號以及有符號的二進制序列是一樣的，因此此處的乘法指令並不區分有符號和無符號。
本次我們討論的imull指令，則與上面的普通乘法指令稍有不同，它只有一個操作數，也就是說，它的一般形式爲imull S，這點在書中的表格中也能看出來，而另外一個操作數默認爲%eax寄存器。最終的結果，會將高32位存入%edx寄存器，而低32位存入%eax寄存器。
試想一下，如果我們只取%eax寄存器當中的32位結果，那其實這裏計算的結果就是S*%eax，此時imull S的作用就與imull S D是一樣的，只是目的操作數被固定爲%eax罷了。
接下來我們看一個簡單的示例，我們去看下指令imull $0x3的結果，我們假設此時%eax寄存器的值爲0x82345600。也就是我們需要計算0x30x82345600的值，這裏LZ直接給出兩者相乘的16進製表示，各位有興趣的可以私下乘一下，爲0xFFFF FFFE 869D 0200。這個結果爲64位的，因此我們寄存器的前後狀態如下所示
以看到，%eax保存着低32位的結果，單說這32位的話，它的有符號數值爲-2036530688，正是我們直接計算0x30x82345600的32位截斷後的有符號值，顯然這個結果溢出了。如果組合上高32位，則結果爲-6331497984，將它加上或者取模4294967296（2的32次方）將得到我們32位的結果。這裏的有符號乘法採取的是先符號擴展被乘數，然後兩者相乘，將結果再截斷爲64位所得。
對於mull的單操作數指令來講，就比較簡單了，它採用的是無符號乘法，因此就和我們平時的十進制乘法運算類似，只是同樣的，它也會將結果的高32位存入%edx，將低32位存入%eax。
cltd指令
這個指令相對來說就非常簡單了，它就是簡單的將%eax寄存器的值符號擴展32位到%edx寄存器，也就是說，如果%eax寄存器的二進制序列的最高位爲0，則cltd指令將把%edx置爲32個0，相反，如果%eax寄存器的二進制序列最高位爲1，則cltd指令將會自從填充%edx寄存器爲32個1。
idivl、divl指令
這兩個指令與前面的imull以及mull類似，它也將計算結果存放在兩個寄存器當中，其中餘數存放在%edx寄存器，商存放在%eax寄存器。如果各位理解了前面的imull以及mull，那麼這裏idivl和divl理解起來會非常簡單。
這裏LZ舉一個簡單的例子，考慮指令idivl $0x3的結果，我們假設此時%eax寄存器的值爲0x82345600。也就是我們需要計算0x82345600/0x3的值，這裏LZ直接給出兩者相除的16進製表示，各位有興趣的也可以私下除一下，商爲0xD6117200，餘數爲0x0。因此我們寄存器的前後狀態如下所示。
可以看到，在idivl這個指令執行的過程中，其實對被除數進行了符號擴展，類似於cltd指令，或者有時也會將%eax移動到%edx，然後對%edx進行算術右移31位的運算。這兩種方式的結果是一樣的，都是將%eax符號擴展32位並存儲在%edx當中。