SSE和iostream的：錯誤輸出，用於浮點類型

Question

TEST.CPP：

#include <iostream> 
using namespace std; 

int main() 
{ 
    double pi = 3.14; 
    cout << "pi:"<< pi << endl; 
} 

當與g++ -mno-sse test.cpp編譯上的cygwin 64位，輸出爲：

PI：0

但是，如果使用g++ test.cpp編譯，它將正常工作。

我有GCC版本5.4.0。

Answer 1

是的，我重複這一點。好吧，主要是。我其實沒有得到0的輸出，但有一些其他的垃圾輸出。所以我可以重現這種無效的行爲，並且我確定了原因。

您可以看到GCC 5.4.0生成的代碼與-m64 -mno-sse標誌here on Goldbolt's Compiler Explorer。特別是，這些是我們關心的指令：

// double pi = 3.14; 
fld  QWORD PTR .LC0[rip] 
fstp QWORD PTR [rbp-8] 

// std::cout << "pi:"; 
mov  esi, OFFSET FLAT:.LC1 
mov  edi, OFFSET FLAT:std::cout 
call std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::operator<< <std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*) 

// std::cout << pi; 
sub  rsp, 8 
push QWORD PTR [rbp-8] 
mov  rdi, rax 
call std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(double) 
add  rsp, 16 

這裏發生了什麼？那麼，首先，我們需要了解-mno-sse標誌的含義。這可以防止編譯器生成任何使用SSE指令的代碼（以及任何後續的指令集擴展）。因此，這意味着所有浮點操作都必須使用傳統的x87 FPU完成。這很好，在32位版本上得到很好的支持，但是在64位版本上它是無意義的。 AMD64規範要求至少支持SSE2，因此可以認爲，所有支持64位的x86處理器的都支持SSE和SSE2。這個假設已將它變爲the ABI：x86-64上的所有浮點操作都是使用SSE2指令完成的，並且浮點值在XMM寄存器中傳遞。因此，做浮點操作但禁止編譯器使用SSE/SSE2指令會使代碼生成器處於不可能的位置，並導致不可避免的故障。

它究竟如何失敗？我們來看看上面的代碼。它沒有優化（因爲你沒有通過一個優化標誌，它默認爲-O0），這使它有點難以閱讀，但忍受着我。

在第一個塊中，它使用x87 FPU指令將來自內存的雙精度浮點值（3.14）（它作爲二進制常量存儲）放入x87 FPU頂部的寄存器中疊加。然後，它從堆棧中彈出該值並將其存儲到內存中（程序堆棧）。這完全只是忙於在未優化的代碼中完成的工作，並且幾乎可以忽略它。這裏的結果是你的浮點值被存儲在內存中rbp-8（與基址指針相距8個字節）。

下一塊指令可以完全忽略。他們只輸出字符串「pi：」。

第三塊指令是假設輸出浮點值。首先，在堆棧上分配8個字節的空間。然後，我們先前存儲到內存的浮點值被壓入堆棧。

到目前爲止，這麼好。這就是你的通常會傳遞一個浮點參數給一個函數，也就是說，在一個32位版本中，在你使用x87指令的32位ABI之後。在64位版本中，在64位ABI之後，浮點參數應該在XMM寄存器中傳遞，這是函數期望接收其參數的地方。 但是，你告訴編譯器它不能生成SSE代碼，所以它不能使用XMM寄存器。它的手綁在一起。它不能正確調用ABI之後的庫函數，因爲您的特定選項會打破 ABI。

從這裏開始下坡。編譯器將rax寄存器的內容複製到rdi寄存器中，然後調用operator<<(double)函數。該函數試圖將在XMM0寄存器中傳遞的浮點值寫入stdout，但該寄存器包含垃圾（在你的情況下，它似乎包含0，但它的實際內容在形式上是未定義的），所以這個垃圾被寫入stdout而不是您期望看到的浮點值。

現在我們瞭解問題了，解決方案是什麼？

• 如果你不想使用SSE指令，強制32位二進制使用-m32標誌進行編譯。這與-mno-sse安全結合。
• 如果您需要一個64位二進制文​​件，那麼不要傳遞-mno-sse標誌，因爲這違反了64位ABI，它將SSE2支持作爲最低限度。

（雖然我在這裏忽略它，它是技術上合理傳遞-mno-sse標誌和-m64標誌一起。事實上，這是明確GCC，因爲它是用來編譯Linux內核代碼支持，其中XMM寄存器的狀態在調用之間並沒有持續，這僅僅是因爲內核代碼不執行浮點操作，-mno-sse開關僅用於防止編譯器使用SSE指令作爲高級優化的一部分，與浮點操作有關。）