读《Professional Assembly Language》之移位之谜

Professional Assembly Lanauge

今年是离开校园的第五年，这五年来我一直在从事应用软件的设计、开发工作，大部分时间是在与高级编程语言、设计模式、业务逻辑打交道。它们大多流于表面，久而久之，与技术底层疏远了，诸如计算机组成原理、汇编语言、编译原理、数据结构以及算法慢慢得生疏，时至今日，我已经弄不懂IA-32里有几类寄存器、间接寻址、词法分析是怎么一回事情了。五年是一个契机，趁着下一个五年开始之际，我计划用三个月至半年时想间，重新学习这些知识，以期达到巩固基础，厚积薄发的目的。

学习过程肯定会有问题，找不出问题的学生不是好学生。因此，我把遇到的问题和解决的方法记录下来，便形成了读书笔记。本篇博文便是我在阅读《Professional Assembly Language》一书时，所作的其中一篇读书笔记。《Professional Assembly Language》，中文译作《汇编语言程序设计》，是我学习汇编语言时选择的工具书，该书对于我这种已经有了高级语言的使用经验，又热衷Linux的人来说非常合适。

《Professional Assembly Language》在第八章第二节讲解了Shift Instruction，在谈到算数左移（SAL）和逻辑左移（SHL）时，作者列举了该指令的三种格式：

1. sal destination
2. sal %cl, destination
3. sal shifter, destination

其中，第三种格式表述存不清楚，shifter可以是immediate value？是common register？是memory location？下面先用shifter是memory location类型来做个试验。

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.section .data
val:
        .int 0x1
count:
        .int 0x21
.section .text
.global _start
_start:
        nop
        sall count, val
        movl $1, %eax
        movl $0, %ebx
        int $0x80

执行汇编器以后，得到错误如下：
shift_over_32.s: Assembler messages:
shift_over_32.s:11: Error: suffix or operands invalid for `sal’

用shifter为immediate value类型再次试验：

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.section .data
val:
        .int 0x1
.section .text
.global _start
_start:
        nop
        sall $0x21, val
        movl $1, %eax
        movl $0, %ebx
        int $0x80

这次汇编和链接都通过，说明第一个例子中，用memory location类型作为shifter是不对的。
这个问题追根究底，可以从《Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual》上找到答案：

The destination operand can be a register or a memory location. The count operand can be an immediate value or the CL register.
— 4-356 Vol. 2B

也就是说count operand（即shifter）的类型可以是立即数或者CL寄存器，而destination operand则不能是立即数。

在手册中，还可以看到这么一句话：

The count is masked to 5 bits (or 6 bits if in 64-bit mode and REX.W is used). The count range is limited to 0 to 31 (or 63 if 64-bit mode and REX.W is used).

也就是说，移位操作最多只能移动31位，那么超过了31位会怎么样呢？
(gdb) print /t val
$1 = 1
(gdb) s
_start () at shift_over_32.s:9
9 movl $1, %eax
(gdb) print /t val
$2 = 10

上述代码使得数字1算术左移33位，而实际的效果是只1位。在此情况下，移动位数的低5位（32-bit模式下）才起作用，33对应的二进制的低5位是00001，那么也就是算数左移1位。

如果修改左移33位为31位，那么可以想象最低位上的数字将移动到最高位，下面的代码可以佐证。

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.section .data
val:
        .int 0x1
.section .text
.global _start
_start:
        nop
        sall $0x1f, val
        movl $1, %eax
        movl $0, %ebx
        int $0x80

在GDB下，两次查看val的值，符合预期。
(gdb) print /t val
$10 = 1
(gdb) s
_start () at shift_over_32.s:9
9 movl $1, %eax
(gdb) print /t val
$11 = 10000000000000000000000000000000