test指令用于比较数值大小的可能性及推导

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x86汇编语言中，cmp指令常用于两数值之间比较大小，test指令常用于位级判断。那么，test可不可以也用于比较数值大小呢？

提出问题

今天有朋友向我提出了这样的问题，p1
为什么test还有这种操作，set指令和test究竟是怎么凑到一起的。

查找信息

CMP指令与SUB指令的行为是一样的。在ATT格式中，列出操作数的顺序是相反的，这使代码有点难读。如果两个操作数相等，这些指令会将零标志位设置为1，而其他的标志可以用来确定两个操作数之间的大小关系。

TEST指令的行为和AND指令一样，除了它们只设置条件码而不改变目的寄存器的值。典型的用法是，两个操作数是一样的（例如，testq %rax, %rax用来检查%rax是负数，零，还是正数），或其中的一个操作数是一个掩码，用来指示哪些位应该被测试。

唔，看来课本只是重复了我们的问题，并没有给出解答。

典型的用法是，两个操作数是一样的（例如，testq %rax, %rax用来检查%rax是负数，零，还是正数）

但从这可以看出，test确实有这个用法。

p2
这里找到线索，set指令是和条件码直接关联的。那么就从test如何影响和改变条件码入手吧。

推导

机器是通过某些指令来改变条件码，然后通过判断条件码的组合来完成控制操作。个人理解是，这些控制指令是对条件码判断的一种封装。

回到我们纠结的这个问题上面：为什么test可以用于判断大小，以及 如何形成判断。

cmp的行为相对容易理解，右操作数减去左操作数，然后修改CF ZF SF OF的值。
而test则是两个操作数进行与，不会影响到OF CF，仅能改变SF ZF，确定真的可以用来比较大小吗？

不过，test用于比较大小的范围极窄，仅仅是用于判断符号，也就是和数值0作比较。只有这种特殊情况的话，进行推理则方便多了，大不了穷举嘛。

下面就来对比test S, S和cmp $0，S。

当S看作有符号数，且大于0时：

  • test S, S，SF置0，ZF置0，OF置0
  • cmp $0，S，SF置0，ZF置0，OF置0

当S看作有符号数，且等于0时：

  • test S, S，SF置0，ZF置1，OF置0
  • cmp $0，S，SF置0，ZF置1，OF置0

当S看作有符号数，且小于0时：

  • test S, S，SF置1，ZF置0，OF置0
  • cmp $0，S，SF置1，ZF置0，OF置0

当S看作无符号数，且等于0时：

  • test S, S，ZF置1，CF置0
  • cmp $0，S，ZF置1，CF置0

当S看作无符号数，且不等于0时：

  • test S, S，ZF置0，CF置0
  • cmp $0，S，ZF置0，CF置0

惊奇地发现这两句指令的行为是一模一样的。原因在于cmp在与0作比较时，是不可能发生溢出和进（借）位的，因而不可能影响OF CF位，这和test指令是一样的。剩下的SF和ZF很容易推理，这里不赘述。

实验

对这样一段C代码进行汇编处理。

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int test(int a)
{
  return a > 0;
}

不进行优化

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gcc -S test.c

得到汇编代码（节选）：

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movl	%edi, -4(%rbp)
cmpl	$0, -4(%rbp)
setg	%al

进行 O1 优化

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gcc -S -O1 test.c

得到汇编代码（节选）：

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testl	%edi, %edi
setg	%al

事实证明，test确实可以用于与0进行大小比较，且编译器更愿意优化成这种形式。

结论与反思

当我们难以理解指令的逻辑时，则需要去探究它背后具体的操作过程，才能真正地理解操作的实际效果。