5.1 分支、条件码与循环

5.1 分支、条件码与循环

本节摘要：ARM 的条件机制建立在四个标志位上——N（负）、Z（零）、C（进位）、V（溢出），由带 s 后缀的运算刷新，由 b.cond 与 csel 家族消费。本节把四个标志逐个用实验点亮，把 if 与 while 手工翻译成汇编，并给出条件选择指令消分支的实例与适用边界。

控制结构是程序的骨架。这一节的目标是让你彻底摆脱"背模板"的状态：看到任何条件结构，都能还原成"置标志、查标志、执行或跳过"三步。为此先补一个来自第 3 章的伏笔——cmp 的真身是丢弃结果的 subs，它的唯一产出就是标志位。标志位是本章的主角，四个都要点灯。

四个标志逐个点灯

标志位的定义手册上都有，但"定义背得出、用起来糊涂"是常态。办法只有一个：每个标志做一次最小实验，观察它的置位条件。实验统一用 cmp 设置标志、用 csinc 之类读标志，也可以直接在调试器里看 nzcv 寄存器（第 2 章实验里见过 cpsr 的 0x60000000）。四组输入与观察结果：

cmp x0, x1 之后：
x0 = 3, x1 = 5    ->  N=1  差值为负
x0 = 5, x1 = 5    ->  Z=1  差值为零
x0 = -1, x1 = 1   ->  C=1 无符号比较中减出了借位的反面：-1 按无符号是最大数
x0 = 最小负数减1  ->  V=1  有符号溢出，结果符号与数学事实相反
​

四个标志合起来回答两个问题：大小关系（N 与 Z 处理相等性，C 处理无符号，V 处理有符号溢出）与精度事故（C 与 V 是两位报警员）。由此推出一个新手必踩的坑：有符号与无符号要用不同的条件码。b.lt 是有符号小于，b.lo 是无符号低于——对同样的两个寄存器值，两者可能给出相反的答案，因为判断依据分别是 V 与 N 的组合、以及 C。把 unsigned 的循环变量配上 b.lt 判断，编译器不报错、逻辑却悄悄变形，这种 bug 一旦上线极难追。对策：写汇编判条件前先问自己"这里的数有没有符号"，再选条件码。

if 与 while 的手工翻译

工具齐了，翻译一段典型的 C：

long clamp(long v) {          // 把 v 限制在 0 到 100
    if (v < 0)   v = 0;
    if (v > 100) v = 100;
    return v;
}
​

分支版翻译，规矩是"比较、条件跳过、修正"：

clamp:
        cmp     x0, #0
        b.lt    .Lzero          // 有符号小于就走修正支路
        cmp     x0, #100
        b.le    .Ldone          // 不超过 100 就直接收工
        mov     x0, #100
        b       .Ldone
.Lzero:
        mov     x0, #0
.Ldone:
        ret
​

同一逻辑用条件选择指令重写，分支消失：

clamp_csel:
        cmp     x0, #0
        csel    x8, xzr, x0, lt     // 小于则取 0，否则取 x0 原值
        cmp     x8, #100
        csel    x0, x8, #100, le    // 不超过 100 保留，否则取 100
        ret
​

csel 的语义一句话：四个候选里按条件挑一个放进目的寄存器，分支预测器彻底失业，流水线无需猜测。注意第二例其实是伪代码式的简写——csel 的候选必须是寄存器，常量 100 要先搬进寄存器，真实产物会多一条 mov。这也是 csel 的适用边界：分支体只差一个值时它最优雅，分支体各有一堆动作时老老实实用 b.cond。还有一个隐蔽点：csel 不刷标志，连续串联使用时标志来自最后一次带 s 的运算，串多了可读性下降，该注释注释。

循环的两种长相与一次实测

循环的翻译只有两个真正的变体：先判断（while 型，循环开头 b 到判断处）与先干活（do-while 型，判断在循环尾部，天然少跳一次）。编译器默认把能改的都改成 do-while 型，因为尾部判断省一条跳转。数一遍第 1 章那个累加循环：cbnz 在尾部、循环体直接开工——正是 do-while 型，外加入口处 cbz 兜底空数组。把两种写法都写出来并数指令：

        // while 型：多一条开头的跳转
        b       .Lcheck
.Lbody:
        sub     x1, x1, #1
.Lcheck:
        cbnz    x1, .Lbody

        // do-while 型：尾部判断，短循环的最优解
.Lbody2:
        sub     x1, x1, #1
        cbnz    x1, .Lbody2
​

实测收尾。把两种版本分别编进小函数，在模拟器里各跑一亿次迭代计时（用 cntvct_el0 计时器，读取方式见第 6 章）：do-while 型稳定快出一条指令的份额，小循环体里差距放大明显。再做一个变式验证编译器的口味：把 C 循环分别写成先判断与后判断两种源码，-O2 下反汇编——你会发现产物几乎一样，编译器早已替你做了这层归一。所以这条优化知识对你的意义不是"手写时选 do-while"，而是读反汇编时认得出它是 do-while，别把尾部判断误读成逻辑错误。

延伸：位测试分支与状态机的汇编形状

条件家族还有一位常客值得单独介绍：tbz 与 tbnz（测位零即跳、测位非零即跳）。标志位管理是它的主场——硬件寄存器轮询、状态位检查，一句 tbz w0, #3, .Lnotready 直接问"第 3 位是不是 0"，省掉移位加判零的组合。读设备驱动反汇编时它的出现频率极高，外设状态轮询几乎都长这样。

把一个真实状态机翻译成汇编，能同时检验本节全部工具。以一个三态的按键状态机为例：空闲态检测到电平变化进消抖态、消抖态计时满进确认态、确认态报告后回空闲。C 里是 switch 加状态变量，汇编里典型产物是"跳转表 + 各态代码块 + 尾部公共出口"：状态变量先进 cmp 加 b.eq 链（或编译器生成的查表分支），每态体内用 cbz 处理提前转移，公共出口做状态变量更新。观察要点：编译器在状态少时用比较链、状态多且密集时用跳转表——判断依据是"比较链的期望比较次数"与"一次间接跳转"的成本权衡。读懂这个权衡，你就明白为什么同一份状态机源码在两个工程里反汇编形状迥异，而且都对。

本节要点回顾

• 三步模型：置标志（带 s 运算）、查标志（b.cond 或 csel）、执行或跳过——一切条件结构的底层。
• 符号纪律：有符号用 lt、le、gt、ge，无符号用 lo、ls、hi、hs，选错不报错只出错。
• C 与 V 是报警员：进位标志管无符号边界，溢出标志管有符号事故。
• csel 的边界：分支体只差一个值时消分支最优雅，候选必须是寄存器。
• 循环两型：编译器偏爱尾部判断的 do-while 型，读反汇编先认循环形状。

条件结构玩转了。下一节进入本章重头戏：函数调用约定与栈帧手推——把一次调用从第一条指令推到最后一条。