3.10 条件分支

条件分支是编程语言中 if-else 语句的底层实现。x86-64 提供了两种实现条件分支的方式：条件跳转和条件传送。

if-else 的汇编实现

基本模式

C 语言的 if-else 语句在汇编中通过 cmp + 条件跳转实现：

// C 源代码
long absdiff(long a, long b) {
    long result;
    $if (a \ge  b) {$
        result = a - b;
    } else {
        result = b - a;
    }
    return result;
}

# 汇编实现（条件跳转版本）
absdiff:
    cmpq    %rsi, %rdi          # 比较 a (%rdi) 和 b (%rsi)
    jl      .Lelse              # 如果 a < b，跳转到 else 分支
    $subq    %rsi, %rdi          # a \ge  b: result = a - b$
    movq    %rdi, %rax
    jmp     .Ldone
 
.Lelse:
    subq    %rdi, %rsi          # a < b: result = b - a
    movq    %rsi, %rax
 
.Ldone:
    ret

控制流图

        ┌──────────┐
        │  cmpq a,b │
        │  jl .Lelse │
        └────┬─────┘
             │
      ┌──────┴──────┐
      ▼             ▼
  ┌──────┐     ┌──────┐
  │ then │     │ else │
  │a-b   │     │b-a   │
  └──┬───┘     └──┬───┘
      └──────┬────┘
             ▼
         ┌──────┐
         │ done │
         │ ret  │
         └──────┘

条件传送指令 cmov

条件传送（conditional move）是一种无分支的条件操作实现，通过数据依赖替代控制依赖。

原理

cmov 指令根据 的状态有条件地执行数据传送：

cmovXX   源操作数, 目的操作数
# 如果条件 XX 为真，则执行：目的操作数 = 源操作数
# 如果条件 XX 为假，则什么也不做（空操作）

cmov 指令族

指令	条件	条件码
cmove (或 cmovz)	相等	ZF
cmovne (或 cmovnz)	不等	~ZF
cmovs	负数	SF
cmovns	非负	~SF
cmovl	小于 (有符号$)	SF ≠ OF
cmovge	大于等于 (有符号)	SF = OF
cmovle	小于等于 (有符号$)	(SF≠OF) | ZF
cmovg	大于 (有符号)	(SF=OF) & ~ZF
cmovb	低于 (无符号)	CF
cmovae	高于等于 (无符号)	~CF

使用 cmov 重写 absdiff

# 条件传送版本（无分支）
absdiff_cmov:
    subq    %rsi, %rdi          #计算 $a - b → %rdi$
    subq    %rdi, %rsi          #计算 $b - a → %rsi$
    # 现在 %rdi = a-b, %rsi = b-a
    cmpq    $0, %rdi            # 检查 a-b 的符号 (即 a >= b ?)
    cmovl   %rsi, %rdi          # 如果 a-b < 0 (即 a < b)，选择 b-a
    movq    %rdi, %rax          # 返回选中的值
    ret

条件传送的优缺点

优点：

• 完全无分支，避免分支预测失败惩罚
• 执行时间与条件无关，适合不可预测的分支

缺点：

• 两个分支都会被求值（计算两个结果），增加计算量
• 如果分支包含函数调用、指针解引用或有副作用，不能使用条件传送

// 不适合条件传送的情况（有副作用）
if (condition) {
    *ptr = compute();  // 指针解引用
} else {
    *ptr = 0;
}

性能对比：

适用场景	条件跳转	条件传送
分支高度可预测（如循环边界检查）	优秀	一般
分支不可预测（如随机数据排序）	较差	优秀
分支计算量很大	较好（只执行一个分支）	较差（计算两个分支）
分支计算量很小	一般	较好

编译器对分支的优化

条件跳转 $\to$条件传送

// 原始 C 代码
long max(long a, long b) {
    return (a > b) ? a : b;
}

# gcc -O1 条件跳转版本
max_jump:
    cmpq    %rsi, %rdi
    jle     .Luse_b
    movq    %rdi, %rax
    ret
.Luse_b:
    movq    %rsi, %rax
    ret

# gcc -O2 条件传送版本（优化后）
max_cmov:
    cmpq    %rsi, %rdi          # 比较 a, b
    movq    %rsi, %rax          # rax = b (预先加载 b)
    cmovg   %rdi, %rax          # 如果 a > b, rax = a
    ret

选择合适优化策略

编译器基于分支预测代价模型决定使用哪种方式：

if (预测难度 × 分支代价 > 两个分支的总代价) {
    使用 cmov
} else {
    使用 条件跳转
}

set 指令：条件码设置

set 系列指令根据条件码将单字节寄存器设置为 0 或 1。常用于实现布尔表达式。

// C 代码
int less_than(long a, long b) {
    return a < b;
}

less_than:
    cmpq    %rsi, %rdi          # 比较 a (%rdi) 和 b (%rsi)
    setl    %al                 # al = (a < b) ? 1 : 0
    movzbq  %al, %rax           # 零扩展到 64 位
    ret

常用 set 指令：

指令	含义	示例
sete D	D = (==)	sete %al
setne D	D = (!=)	setne %al
setl D	D = (<, 有符号)	setl %al
setg D	D = (>, 有符号)	setg %al
setb D	D = (<, 无符号)	setb %al
seta D	D = (>, 无符号)	seta %al

相关笔记

• • 条件判断的基础
• • 条件跳转指令详解
• • 循环中的条件分支

链接到

• 上一个知识点：3.9 跳转指令
• 下一个知识点：3.11 循环的汇编实现
• 相关知识点：4.7 SEQ处理器、4.8 SEQ各阶段分析