Assembly 用负数除法会在NASM中产生溢出

我在自学x86-64 Mac操作系统的汇编编程。我想弄明白为什么当一个正整数除以一个负整数时会产生溢出。例如，

5/-2

必须返回

-2

。然而，在我的例子中，当我执行

-554/2

而不是

-277

时，它返回

2147483371

。。。这是我的程序集文件中的内容：

; compiling using: nasm -f macho64 -o divide.o divide.s
[bits 64]
global _divide
section .text

; int divide(int dividend, int divisor)
_divide:

    xor rdx, rdx        ; making this to 0
    push rbp            ; base stack pointer
    mov rax, rdi        ; dividend
    mov rcx, rsi        ; divisor
    idiv rcx            ; integer division

    add rsp, 8
    ret

在我的

main.c

文件中，我有以下内容：

#include <stdio.h>
extern int divide(int dividend, int divisor);
int main(void)
{
    printf("divide: %d\n\n", divide(-554,2));
    return (0);
}

#包括
外部整数除法（整数除数，整数除数）；
内部主（空）
{
printf（“divide:%d\n\n”，divide（-554,2））；
返回（0）；
}

输出：

除：2147483371

---

有人能解释一下我到底做错了什么吗？

32位值

-554signed

相当于

4294966742 unsigned

，其中一半确实是

2147483371

，您得到的答案。因此，它看起来像一个已签名/未签名的问题。通过研究，我们发现：

然后，

rdx:rax

值将是128位的值：

rdx:rax : 11112222 FFFFEEEE 01234567 89ABCDEF

         ffffffff     32-bit:                        -1.
ffffffff ffffffff     64-bit proper:                 -1.
00000000 ffffffff     64-bit improper:    4,294,967,295.

现在，由于您正在将rdx归零，因此组合值被视为正值，因为顶部位为零。实际上需要做的是将

rax

符号扩展到

rdx:rax

，这是一种将符号保留在扩展值中的方法。例如，考虑32位<代码> -1 < /代码>，将符号适当地扩展和不正确地扩展成64位值：

rdx:rax : 11112222 FFFFEEEE 01234567 89ABCDEF

         ffffffff     32-bit:                        -1.
ffffffff ffffffff     64-bit proper:                 -1.
00000000 ffffffff     64-bit improper:    4,294,967,295.

为了正确地进行符号扩展，如果最右边的位（

rax

）形成负数，则最左边的位（

rdx

）应全部为一位，否则全部为零位

当然，那些聪明的英特尔工程师已经想到了这个用例，所以您可以使用

cqo

将四字转换为八字

指令来实现，该指令的符号扩展正确。考虑到这一点，设置

eax

的代码将变成：

    mov   rax, rdi          ; Get dividend and
    cqo                     ;   sign extend to rdx:rax.

---

但是，您可能还有一个额外的问题。尽管System V x86-64 ABI指定参数在64位寄存器（

rXX

）中传递，但传递32位值实际上可能会留下包含垃圾的高位（我认为您也可以在返回值的上部留下垃圾。有关详细信息，请参阅）

因此，您不应该假设在整个64位寄存器中只有最右边的32位具有sane值

在您的情况下（假设为32位整数），您应该将符号扩展为32到64，而不是64到128，并使用较小的宽除法指令。这将导致类似于：

global _divide
section .text

; int32_t divide(int32_t ediDividend, int32_t esiDivisor)
_divide:
    mov   eax, edi          ; Get 32-bit dividend and
    cdq                     ;   sign extend to 64-bit edx:eax.

    idiv  esi               ; Weave magic here,
                            ;   zeros leftmost rax.

    ret                     ; Return quotient in rax/eax.

---

这是未经测试的，但应该做你想做的。我实际上已经删除了推动

rbp

，因为我非常确定这不是必需的。它似乎没有损坏（此函数既不更改它，也不调用任何其他可能更改它的函数），而且似乎您从未在原始代码中正确还原过它。

您的代码也因负除数而被破坏：

除（5，-2）

将得到零。这纯粹是通过调用约定来解释的。您的零扩展名而不是符号扩展名错误（请参阅@paxdiablo的答案）只有负红利才重要

---

您告诉编译器您的函数采用

int

args，并且

int

是x86-64 System V调用约定中的32位类型

您假设您的输入是符号扩展到64位的，但调用约定并不要求这样，因此编译器不会在10字节

mov r64、imm64上浪费代码大小，因为它可以使用5字节
mov r32、imm32

有关更多详细信息，请参见以下问答（第二个基本上是第一个问答的副本）：






因此，编译器将为
main
发出如下代码：

mov    edi, 5      ; RDI = 0x0000000000000002
mov    esi, -2     ; RSI = 0x00000000FFFFFFFE
call   _divide

我检查过了，这就是gcc和clang真正做到的，即使对于未优化的代码也是如此


对于
除以（5，-2）
，您的代码将导致


RDX=0，RAX=5。即股息=0x0000000000000000:00000000000000005，这是正确的。（零和符号扩展对于非负输入是相同的操作）
除数=0x00000000FFFFFE=+4294967294，大且为正

64位
idiv
计算
5/4294967294产生商=RAX=0，余数=RDX=5

如果您只修复了类型宽度/操作数大小不匹配的错误，您仍然会遇到诸如@paxdiablo的答案所解释的负红利问题。但是这两个修复对于
除法（-554,2）
实际工作是必要的。


那么你应该怎么写呢？
您可以将原型更改为
int64\t
或
long
（在x86-64系统V中为64位），并使用
cqo
设置有符号除法。（）

或者您可以使用
movsxd-rax、edi
/
movsxd-rcx、esi
将32位输入扩展到64位。但这太傻了。只需使用32位操作数大小，因为这是您告诉编译器要传递的

这很好，因为64位除法比32位除法慢得多

这就是我要做的：

global _divide
; inputs: int32_t dividend in EDI, int32_t divisor in ESI
; output: int32_t quotient in EAX,  int32_t remainder in EDX
;  (C callers won't be able to access the remainder, unfortunately)
_divide:
    mov     eax, edi
    cdq                    ; sign-extend the dividend into edx:eax

    idiv    esi            ; no need to copy to ecx/rcx first
    ret

无需推送RBP；我们不调用任何其他函数，因此重新调整堆栈并不重要，我们也不修改RBP以用作帧指针

我们可以在不保存/恢复RDX的情况下关闭它：它是x86-64 System V和Windows x64中的一个调用关闭寄存器（与大多数32位调用约定相同）。这是有意义的，因为一些常见指令（如
idiv
）会隐式使用它

如果您用C编写gcc和clang（当然启用了优化），它就会发出这样的信息

int divide(int dividend, int divisor) {
    return dividend / divisor;
}

（请参阅上面的Godbolt链接，其中我将其与
\uuuu属性（noinlin）一起包含。）
    mov     edi, 5
    mov     rsi, -2
    call    _divide