SSE和iostream的：错误输出，用于浮点类型

Question

TEST.CPP：

#include <iostream> 
using namespace std; 

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

当与g++ -mno-sse test.cpp编译上的cygwin 64位，输出为：

PI：0

但是，如果使用g++ test.cpp编译，它将正常工作。

我有GCC版本5.4.0。

Answer 1

是的，我重复这一点。好吧，主要是。我其实没有得到0的输出，但有一些其他的垃圾输出。所以我可以重现这种无效的行为，并且我确定了原因。

您可以看到GCC 5.4.0生成的代码与-m64 -mno-sse标志here on Goldbolt's Compiler Explorer。特别是，这些是我们关心的指令：

// 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 

这里发生了什么？那么，首先，我们需要了解-mno-sse标志的含义。这可以防止编译器生成任何使用SSE指令的代码（以及任何后续的指令集扩展）。因此，这意味着所有浮点操作都必须使用传统的x87 FPU完成。这很好，在32位版本上得到很好的支持，但是在64位版本上它是无意义的。 AMD64规范要求至少支持SSE2，因此可以认为，所有支持64位的x86处理器的都支持SSE和SSE2。这个假设已将它变为the ABI：x86-64上的所有浮点操作都是使用SSE2指令完成的，并且浮点值在XMM寄存器中传递。因此，做浮点操作但禁止编译器使用SSE/SSE2指令会使代码生成器处于不可能的位置，并导致不可避免的故障。

它究竟如何失败？我们来看看上面的代码。它没有优化（因为你没有通过一个优化标志，它默认为-O0），这使它有点难以阅读，但忍受着我。

在第一个块中，它使用x87 FPU指令将来自内存的双精度浮点值（3.14）（它作为二进制常量存储）放入x87 FPU顶部的寄存器中叠加。然后，它从堆栈中弹出该值并将其存储到内存中（程序堆栈）。这完全只是忙于在未优化的代码中完成的工作，并且几乎可以忽略它。这里的结果是你的浮点值被存储在内存中rbp-8（与基址指针相距8个字节）。

下一块指令可以完全忽略。他们只输出字符串“pi：”。

第三块指令是假设输出浮点值。首先，在堆栈上分配8个字节的空间。然后，我们先前存储到内存的浮点值被压入堆栈。

到目前为止，这么好。这就是你的通常会传递一个浮点参数给一个函数，也就是说，在一个32位版本中，在你使用x87指令的32位ABI之后。在64位版本中，在64位ABI之后，浮点参数应该在XMM寄存器中传递，这是函数期望接收其参数的地方。 但是，你告诉编译器它不能生成SSE代码，所以它不能使用XMM寄存器。它的手绑在一起。它不能正确调用ABI之后的库函数，因为您的特定选项会打破 ABI。

从这里开始下坡。编译器将rax寄存器的内容复制到rdi寄存器中，然后调用operator<<(double)函数。该函数试图将在XMM0寄存器中传递的浮点值写入stdout，但该寄存器包含垃圾（在你的情况下，它似乎包含0，但它的实际内容在形式上是未定义的），所以这个垃圾被写入stdout而不是您期望看到的浮点值。

现在我们了解问题了，解决方案是什么？

• 如果你不想使用SSE指令，强制32位二进制使用-m32标志进行编译。这与-mno-sse安全结合。
• 如果您需要一个64位二进制文​​件，那么不要传递-mno-sse标志，因为这违反了64位ABI，它将SSE2支持作为最低限度。

（虽然我在这里忽略它，它是技术上合理传递-mno-sse标志和-m64标志一起。事实上，这是明确GCC，因为它是用来编译Linux内核代码支持，其中XMM寄存器的状态在调用之间并没有持续，这仅仅是因为内核代码不执行浮点操作，-mno-sse开关仅用于防止编译器使用SSE指令作为高级优化的一部分，与浮点操作有关。）