Machine-Level Representation of Programs

3.6.2 Accessing the Condition Codes

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조건 코드를 직접 수행읽는 대신 사용하는 방법 세 가지
1. 조건코드의 조합에 따라 단일 바이트를 0, 1 로 설정한다.
2. 프로그램의 다른 부분으로 점프할 수 있다.
3. 데이터를 조건부로 전송할 수 있다.
1번의 방법은 set 명령어에서 나타나며, 이때 단 접미사가 다른 연산자와 같이 워드 크기를 나타내는게 아니라는 점이 중요하다(less, below의 l, b를 나타냄, long 또는 byte 아님)

3.6.3 Jump Instructions

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jump 명령어는 기본적인 명령어의 흐름에서 뛰어 넘어 다른 명령어를 수행하고 다시 시작하도록 만드는데, 오브젝트 코드 파일을 생성할 때 어셈블러가 모든 이러한 명령어의 주소값을 결정한다.
명령어들은 간접 점프와 직접 점프가 있는데, 직접 점프의 경우 어셈블리코드에서 점프 목표로 레이블을 지정하고 작성되며, 간접 점프는 메모리 피연산자 형식 중 하나를 사용하여 메모리주소나 레지스터로 점프를 한다.
하나 더 있는 점프 방식은 조건 점프(conditional jump)이다. 조건 점프는 조건에 맞춰 동작하고, 이러한 경우는 직접 점프만이 가능하다.

3.6.4 Jump Instruction Encodings

Chapter 7의 링킹 파트에서 점프 명령어의 목표가 어떻게 인코딩 되는가가 중요하다. 그리고 이러한 내용은 디스어셈블러의 산출물을 이해할 때도 도움이 된다.
어셈블리 코드에서 점프의 대상은 심볼릭 레이블을 사용하여 작성되며, 점프에대한 다양한 인코딩 방식은 있지만 가장 일반적 방법이 PC에 상대적 방식으로 점프를 구현하는 것이다.
즉, 점프 다음 오는 명령어의 주소와 점프 대상 명령어 주소 간의 차이를 인코딩해서 사용하는 것이다. 이러한 오프셋은 1,2, 4바이트로 인코딩 되는 방법이다.
반면에 절대 주소를 활용하는 방법도 있고 이 경우 4바이트로 인코딩 된다.
결론적으로 어셈블러와 링커는 점프 목적지의 적절한 인코딩을 선택해서 구현한다고 보면 된다.

3.6.5 Implementing Condtional Branches with Conditional Control

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C 상에서 조건문을 번역하는 가장 일반적인 방법은 조건, 비조건 점프 구문의 조합을 사용하는 것이다. (대체적 방법으론 3.6.6 에서 배울 것으로 조건부 데이터 이동을 활용해 구현하는 것도 있다.)
예시가 위의 3.16 이며, 여기서 한가지 알아두면 좋은 것이 (b)의 goto 문을 사용하는 것은 일반적으로 좋지 않은 프로그래밍 스타일이고, 이는 사용 코드의 가독성과 디버깅의 어려움을 야기하기 때문이다.
C언어에서 일반적으로 if-else는 다음 템플릿 형태로 제공해도니다.

t = test-expr;
if (!t)
	goto false;
	then-statement
	goto done;
false:
	else-statement
done

3.6.6 Implementing Condtional Branches with Condtional Moves

조건부 브랜치를 조건부 이동 명령어로 구현하기
전통적인 방법을 활용한 조건문 구현은 심플하고 일반적이나, 현대 프로세서에서 비효율적일 수 있다.
그렇기에 대안으로 나온 전략은 조건부 데이터 이동을 활용하는 방법이다.
이 방식은 양쪽 조건 연산의 결과를 연산하고, 조건에 기반하거나 혹은 그에 반대로 그 결과를 취하는 방식이다. 이는 제한적인 영역에서 사용이 가능하긴 하나, 사용한다고 하면 현대적 프로세서의 성능 특성에 훨씬 부합한다는 점에서 이점이 있다.

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위의 3.17을 보면 cmovdiff 함수를 c번에서 어셈블리 코드로 만들며, 여기서는 연산과 데이터 이동이 주로 되어 있으며, 비교 연산을 한 번 하는 것으로 되어 있다.
여기서 조건적 제어 이동 기반을 한 코드의 성능이 왜 뛰어난가를 이해하기 위해선, 반드시 현대적 프로세서 어떤 식으로 동작하는지를 이해할 필요가 있다.
기본적으로 이후 Chapter4, 5 에서 배울 것이겠지만 pipelining 이라는 것을 통해 현대의 프로세서는 기본적으로 높은 성능을 얻게 되었다.
이 접근 방식은 파이프라인닝을 통해 연속적으로 명령어의 단계를 오버랩(overlap)시켜서 연속적으로 진행시킨다. 예를 들어 이전 명령에서 숫자 연산이 수행중이라면, 이때 다른 명령어를 붙여두는 것이다.
그리고 이러한 방법으로 인해 프로세서는 매우 섬세하고 정교하게 분기 예상 로직(branch prediction logic)을 갖추고 있고, 이를 통해 분기에서 어떻게 해야 할 지를 정한다. 더불어 현대 프로세서는 대략 90% 전후로 이러한 분기를 맞출 만큼 성능은 좋으나, 문제는 그럼에도 발생하는 잘못된 분기예측 한 번이 상당한 성능적 손실을 야기한다.
이러한 점에서 원본의 a번 코드를 사용한다고 하면 분기에 따라, 값을 넣어야 하고 일단 비교를 해보고 결과를 봐야한다. 하지만 cmovdiff의 경우 그렇게 분기를 예측하는 구조가 아니라, 이미 값을 담아두고, 또한 분기 예측이 쉬운 구조로 조건을 구성함으로써 성능적 향상(CPU 의 연산 사이클 감소)을 달성할 수 있는 것이다.
뿐만 아니라 조건에 대한 예상 로직이 안쓰이는 만큼 파이프 라인을 계속해서 명령어로 채울 수 있다는 점도 이점이 있는 것이다.

absdiff 에서는 x < y 를 예측하기란 쉽지 않다. 하지만 이에 비해 ntest가 존재하냐 아니냐는 앞전 연산으로 이미 알기 쉬울 수있고, 그만큼 CPU 의 잘못된 예상으로 작업 클럭 사이클을 소비하는 것을 최소화 한다.

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3.6.7 Loops

C 언어는 do-while, while, for 등의 반복 구조를 제공한다. 기계어에는 이에 해당하는 명령어가 없으며, 조건 테스트와 점프를 조합하여 반복 효과를 구현한다. Gcc와 다른 컴파일러는 두 가지 기본 반복 패턴을 바탕으로 반복 코드 생성을 한다. 반복문 번역은 do-while부터 시작하여 점차 더 복잡한 구현을 포함하는 방향으로 진행된다.

Do-While Loops

do-while 문장의 일반적인 형태는 다음과 같다:

do
  body-statement 
while (test-expr);

이 반복문의 효과는 body-statement를 반복적으로 실행하고, test-expr을 평가하여 그 결과가 0이 아닌 경우 반복을 계속하는 것이다. body-statement는 최소 한 번 실행된다. 이 일반적인 형태는 조건문과 goto 문을 사용하여 다음과 같이 번역할 수 있다:

loop: 
  body-statement 
  t = test-expr; 
  if (t)
    goto loop;

즉, 각 반복에서 프로그램은 body-statement를 실행하고 test-expr을 평가한다. 테스트가 성공하면 프로그램은 다시 반복을 시작한다.

While Loops

while 문장의 일반적인 형태는 다음과 같다:

while (test-expr) 
  body-statement

do-while과의 차이점은 test-expr이 평가된 후, body-statement가 처음 실행되기 전에 반복문이 종료될 수 있다는 것이다. while 반복문을 기계어로 번역하는 방법은 여러 가지가 있으며, gcc에서 생성된 코드에서 두 가지 방법이 사용된다. 이 두 가지 방법은 do-while 반복문에서 본 반복 구조와 동일하지만, 초기 테스트를 구현하는 방식에서 차이가 있다.

첫 번째 번역 방법은 반복문의 끝에서 무조건적인 점프를 수행하여 초기 테스트를 수행하는 “중간으로 점프” 방법이다. 이는 다음과 같은 템플릿으로 번역할 수 있다:

goto test; 
loop:
  body-statement 
test:
  t = test-expr; 
  if (t)
    goto loop;