“nop dword ptr [rax+rax]”是x64汇编指令，它的作用是什么？

Question

我正在尝试理解编译器所进行的x64汇编优化。

我使用Windows 8.1上的Visual Studio 2008 SP1 IDE将一个小的C++项目编译为Release版本。

其中一行包含以下汇编代码：

B8 31 00 00 00   mov         eax,31h
0F 1F 44 00 00   nop         dword ptr [rax+rax]

这里是截图：

据我所知，nop 本身就是 什么也不做，但我从未见过带有这样操作数的情况。

有人能解释一下它是做什么的吗？

- c00000fd

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这是一个多字节的NOP指令。指令集参考手册对此进行了解释：http://www.felixcloutier.com/x86/NOP.html - Michael Petch

通常用于内存对齐。经常在循环之前使用，以将它们对齐到16或32字节的边界上（16通常是默认值）。这可以提高循环的性能。 - Michael Petch

如果您查看地址7ff673c0146b，则是NOP指令的开头。它有5个字节，因此NOP之后的指令将从对齐到16字节的7ff673c01470开始。下一个指令很有可能就是循环的开头。 - Michael Petch

@MichaelPetch：是的，你说得对。好知道。谢谢！ - c00000fd

可能是什么更快：JMP还是一系列NOP？ 的重复问题。 - Raymond Chen

Answer 1

在本页面的其他评论中，Michael Petch指出了一个网页，描述了Intel x86多字节NOP操作码。该页面有一张有用信息的表格，但不幸的是HTML混乱无法阅读。以下是该页面的一些信息，以及该表格的可读形式：

多字节NOP指令是一种“无操作”指令，用于创建由多个字节组成的“无操作”序列。单字节NOP指令实际上是XCHG(E)AX,(E)AX指令的别名助记符。在支持的处理器上，多字节NOP指令不执行操作；在不支持该指令的处理器上，它会生成未定义的操作码异常。针对需要多字节NOP的情况，在32位和64位模式下建议使用以下操作http://www.felixcloutier.com/x86/NOP.html：（在64位模式下，将eax替换为rax）

请注意，选择正确的字节序列的技术（因此所需的总大小）可能因您使用的汇编器而异。

例如，从表中获取的以下两行汇编代码表面上相似：

nop dword ptr [eax + 00h]
nop dword ptr [eax + 00000000h]

这些只有前导零的数量不同，某些汇编器可能很难禁用它们“有用”的功能，即始终对最短的字节序列进行编码，这可能会使第二个表达式无法访问。

对于多字节NOP情况，您不希望使用此“帮助”，因为您需要确保实际获得所需的字节数。因此，问题是如何仅通过指令助记符指定 mod 和 r / m 位的确切组合，以获得所需的 disp 大小。这个主题很复杂，当然超出了我的知识范围，但Scaled Indexing，MOD + R / M和SIB可能是一个起点。

现在，正如我知道你正在思考的那样，如果您发现通过指令助记符强制汇编器合作变得困难或不可能，您总是可以转而使用 db （“定义字节”）作为简单的无忧替代方案，这是，嗯，保证可以工作的。

- Glenn Slayden

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我应该澄清一下我的先前评论，这是存档聊天记录中的最后一条评论；如果没有代码路径导致它们，我不确定为什么对齐填充序列需要首先被CPU解释。否则，用db 90 90 90...来填充不是完全可以吗？实际上，这样做还可以防止出现错误的jmp跳转。 - Glenn Slayden

根据汇编器的不同，它并不知道填充指令是否会被执行。但在函数之间，MSVC使用重复的 0xcc (int3) 填充。如果您知道某个地方不应该执行，那么陷阱比默默地跳过进入下一个函数更有意义。 - Peter Cordes

@PeterCordes 哎呀！我的错；我本来想说的是 CC 而不是 90。这很尴尬，因为我之前在这里已经讨论过这个问题了... - Glenn Slayden

那么，它是做什么的？ - huang

@JoeHuang NOP 意思是“无指令”。对于微处理器来说，它是一条不执行任何操作的指令。 - Glenn Slayden

Answer 2

如评论所指出的那样，这是一个多字节NOP，通常用于将后续指令对齐到16字节边界，特别是当该指令是循环中的第一条指令时。

这种对齐可以帮助提高指令获取带宽，因为指令获取通常以16个字节为单位进行，因此将循环顶部对齐可以最大程度地减少解码过程中的瓶颈。

这种对齐的重要性可能不如以前那么重要，因为引入了循环缓冲区和微操作缓存，它们对对齐的敏感度较低。在某些情况下，这种优化甚至可能导致性能下降，特别是当循环执行次数非常少时。

- BeeOnRope

Answer 3

当使用跳转指令从更大的地址跳转到较小的地址时（0EBh XX - jmp short和0E9h XX XX XX XX - jmp near），这段代码对齐将会被执行，其中XX在两种情况下都是有符号负数。因此，编译器将该代码块对齐到10h字节边界以执行跳转。这将提高优化和代码执行速度。

- Dumitru Moraru