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本書全面更新至x86-64，主要面向軟件開發(fā)人員，旨在通過(guò)實(shí)用的案例幫助讀者快速理解x86-64匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的概念并掌握編程方法。書中首先介紹x86-64平臺(tái)，包括Core體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、寄存器、內(nèi)存尋址模式和基本指令集等；然后討論AVX、AVX2和AVX-512，包括寄存器集、指令集和增強(qiáng)功能等，并利用這些指令集編寫性能增強(qiáng)函數(shù)和算法；zui后討論提高程序性能的編碼策略及技巧。此外，書中包含大量可免費(fèi)下載的源代碼，便于讀者實(shí)踐。

自從個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)明以來(lái)，軟件開發(fā)人員使用x86匯編語(yǔ)言為各種各樣的算法挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新的解決方案。在PC時(shí)代的早期，軟件開發(fā)人員常常會(huì)使用x86匯編語(yǔ)言編寫程序的大部分代碼甚至完整的應(yīng)用程序�？紤]到21世紀(jì)流行的高級(jí)語(yǔ)言（例如C 、C#、Java和Python），我們可能會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，許多軟件開發(fā)人員仍然使用匯編語(yǔ)言來(lái)對(duì)程序的關(guān)鍵性能部分進(jìn)行編碼。盡管編譯器多年以來(lái)有了顯著的改進(jìn)，能夠生成空間效率和時(shí)間效率都很高的機(jī)器代碼，但仍然存在這樣的場(chǎng)景：軟件開發(fā)人員有必要利用匯編語(yǔ)言編程的優(yōu)越特點(diǎn)。
現(xiàn)代x86處理器的單指令多數(shù)據(jù)（Single-Instruction Multiple-Data，SIMD）體系結(jié)構(gòu)從另一個(gè)方面解釋了人們?yōu)楹螌?duì)匯編語(yǔ)言程序有著經(jīng)久不衰的興趣。支持SIMD的處理器提供了計(jì)算資源，有助于使用多個(gè)數(shù)據(jù)值同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于那些必須提供實(shí)時(shí)響應(yīng)的應(yīng)用程序而言，可以顯著提高性能。SIMD體系結(jié)構(gòu)也非常適合計(jì)算密集型問(wèn)題領(lǐng)域，例如圖像處理、音頻和視頻編碼、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)據(jù)挖掘。遺憾的是，許多高級(jí)語(yǔ)言和開發(fā)工具仍然無(wú)法完全或者部分地利用現(xiàn)代x86處理器的SIMD功能。相反，匯編語(yǔ)言則使軟件開發(fā)人員能夠充分利用處理器的SIMD計(jì)算資源。
現(xiàn)代x86匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)
本書是一本關(guān)于x86 64位（x86-64）匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的教科書。本書的內(nèi)容和組織旨在幫助讀者快速理解x86-64匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)以及高級(jí)向量擴(kuò)展（Advanced Vector Extension，AVX）的計(jì)算資源。本書還包含大量的源代碼，這些源代碼有助于讀者學(xué)習(xí)和理解基本的x86-64匯編語(yǔ)言結(jié)構(gòu)和SIMD編程概念。通過(guò)閱讀本書，讀者將能夠使用x86-64匯編語(yǔ)言以及AVX、AVX2和AVX-512指令集編寫性能增強(qiáng)的函數(shù)和算法。
在繼續(xù)學(xué)習(xí)之前，應(yīng)該明確指出，本書不包括x86-32匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。本書也不討論傳統(tǒng)的x86技術(shù)，例如x87浮點(diǎn)單元、MMX和數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展指令集。如果讀者對(duì)這些主題感興趣，可以參考本書第1版中的相關(guān)內(nèi)容。本書沒(méi)有解釋操作系統(tǒng)中使用的x86體系結(jié)構(gòu)特性或者特權(quán)指令。但是，讀者需要完全理解本書中介紹的內(nèi)容，才能開發(fā)用于操作系統(tǒng)的x86匯編語(yǔ)言代碼。
雖然理論上我們可以使用匯編語(yǔ)言編寫整個(gè)應(yīng)用程序，但現(xiàn)代軟件開發(fā)的苛刻要求使得這種方法不切實(shí)際，而且也不明智。作為替代，本書重點(diǎn)介紹如何編寫x86-64匯編語(yǔ)言函數(shù)，這些函數(shù)可以被C 程序調(diào)用。本書使用微軟的Visual Studio C 和微軟宏匯編程序（MASM）編寫所有的源代碼示例程序。
目標(biāo)讀者
本書的目標(biāo)讀者是軟件開發(fā)人員，包括：
正在為基于Windows的平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用程序并希望學(xué)習(xí)如何使用x86-64匯編語(yǔ)言編寫性能增強(qiáng)算法和函數(shù)的軟件開發(fā)人員。
為非Windows環(huán)境開發(fā)應(yīng)用程序并希望學(xué)習(xí)x86-64匯編語(yǔ)言編程的軟件開發(fā)人員。
希望學(xué)習(xí)如何使用AVX、AVX2和AVX-512指令集創(chuàng)建SIMD計(jì)算函數(shù)的軟件開發(fā)人員。
希望或者需要更好地了解x86-64平臺(tái)及其SIMD體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)人員和計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生。
本書的主要目標(biāo)讀者是Windows軟件開發(fā)人員，因?yàn)樵创a示例是使用Visual Studio C 和MASM開發(fā)的。由于本書大部分內(nèi)容是獨(dú)立于特定操作系統(tǒng)而組織和呈現(xiàn)的，因此非Windows平臺(tái)的軟件開發(fā)人員也可以從本書中受益。我們假設(shè)本書的讀者已經(jīng)具備其他高級(jí)語(yǔ)言的編程經(jīng)驗(yàn)，并且對(duì)C 有基本的了解，但不需要熟悉Visual Studio或者Windows編程。
內(nèi)容概述
本書的主要目的是幫助讀者學(xué)習(xí)x86 64位匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，以及AVX、AVX2和AVX-512指令集。本書的架構(gòu)和內(nèi)容都是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而設(shè)計(jì)的。下面將簡(jiǎn)單概述各章的學(xué)習(xí)內(nèi)容。
第1章介紹x86-64平臺(tái)的Core（核心）體系結(jié)構(gòu)，包括對(duì)平臺(tái)的基本數(shù)據(jù)類型、內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)、寄存器集、指令操作數(shù)和內(nèi)存尋址模式的討論，該章還描述了Core x86-64指令集。第2章和第3章解釋使用Core指令集和常見(jiàn)編程結(jié)構(gòu)（包括數(shù)組和結(jié)構(gòu)）進(jìn)行x86-64匯編語(yǔ)言編程的基本原理。這兩章（以及后續(xù)章節(jié)）中提供的源代碼示例被打包為可運(yùn)行的程序，這意味著讀者可以運(yùn)行、修改或者以其他方式嘗試運(yùn)行代碼，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。
第4章重點(diǎn)討論AVX的體系結(jié)構(gòu)資源，包括寄存器集、數(shù)據(jù)類型和指令集。第5章闡述如何利用AVX指令集使用單精度值和雙精度值執(zhí)行標(biāo)量浮點(diǎn)運(yùn)算。第6章和第7章闡述使用打包浮點(diǎn)數(shù)（packed floating-point）和打包整數(shù)（packed integer）操作數(shù)的AVX SIMD程序設(shè)計(jì)。
第8章介紹AVX2，并探討了其增強(qiáng)功能，包括數(shù)據(jù)廣播、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)排列。第8章還將闡述乘法加法融合（Fused-Multiply-Add，F(xiàn)MA）操作。第9章和第10章包含源代碼示例，舉例說(shuō)明了使用AVX2的針對(duì)打包浮點(diǎn)數(shù)和打包整數(shù)操作數(shù)的各種算法。第11章包括演示FMA編程的源代碼示例，該章還將介紹使用通用寄存器解釋x86平臺(tái)擴(kuò)展的示例。
第12章深入研究AVX-512體系結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，介紹AVX-512的寄存器集和數(shù)據(jù)類型。該章還將闡述關(guān)鍵的AVX-512增強(qiáng)功能，包括條件執(zhí)行和合并、嵌入式廣播操作、指令級(jí)舍入。第13章和第14章包含許多源代碼示例，用以演示如何利用這些高級(jí)功能。
第15章概述現(xiàn)代x86多核處理器及其底層微體系結(jié)構(gòu)。該章還將概述可用于提高x86匯編語(yǔ)言代碼性能的特定編碼策略和技術(shù)。第16章討論一些源代碼示例，這些示例說(shuō)明了高級(jí)x86匯編語(yǔ)言編程技術(shù)，包括處理器特性檢測(cè)、加速內(nèi)存訪問(wèn)和多線程計(jì)算。
附錄A描述了如何使用Visual Studio和MASM執(zhí)行源代碼示例。附錄A還給出了一個(gè)引用和資源列表，讀者可以參閱這些資源，以獲得有關(guān)x86匯編語(yǔ)言編程的更多信息。
源代碼
讀者可以在Apress的官網(wǎng)（https://www.apress.com/us/book/9781484240625）上找到本書源代碼的下載信息。每一章的源代碼都對(duì)應(yīng)一個(gè)壓縮文件，其中包含C 源代碼文件和匯編語(yǔ)言源代碼文件以及Visual Studio項(xiàng)目文件。壓縮文件中沒(méi)有提供可執(zhí)行的安裝程序。讀者只需將每一章源代碼壓縮文件的內(nèi)容解壓到自己選擇的文件夾中。
注意事項(xiàng)　源代碼的目的是闡明與本書中所討論的主題直接相關(guān)的編程示例。源代碼很少涉及基本的軟件工程問(wèn)題，例如魯棒錯(cuò)誤處理、安全風(fēng)險(xiǎn)、數(shù)值穩(wěn)定性、舍入誤差、錯(cuò)誤條件函數(shù)。如果讀者決定在自己的程序中使用本書的源代碼，那么需要處理這些問(wèn)題。
源代碼示例是在運(yùn)行Windows 10 Pro 64位的PC上使用Visual Studio Professional 2017（版本15.7.1）創(chuàng)建的。Visual Studio官網(wǎng)（https://visualstudio.microsoft.com）包含有關(guān)此版本和Visual Studio其他版本的詳細(xì)信息。有關(guān)Visual Studio安裝、配置和應(yīng)用程序開發(fā)的詳細(xì)技術(shù)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)https://docs.microsoft.com/en-us/visualstudio/?view=vs-2017。
如果要運(yùn)行源代碼示例，那么推薦的硬件平臺(tái)是一臺(tái)基于x86的PC，裝有Windows 10 64位操作系統(tǒng)，包含一個(gè)支持AVX的處理器。如果要運(yùn)行使用AVX2或者AVX-512指令集的源代碼示例，則需要一個(gè)與AVX2或者AVX-512兼容的處理器。讀者可以使用附錄A中列出的免費(fèi)實(shí)用程序，以確定自己的PC支持哪些x86-AVX指令集擴(kuò)展。
其他資源
AMD和英特爾都提供了一系列包羅廣泛的與x86相關(guān)的編程文檔。附錄A列出了一些重要的資源，無(wú)論是新手還是經(jīng)驗(yàn)豐富的x86匯編語(yǔ)言程序員，都會(huì)發(fā)現(xiàn)這些資源非常有用。在附錄A列出的所有資源中，有價(jià)值的參考資料是Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developers Manual-Combined Volumes: 1, 2A, 2B, 2C, 2D, 3A, 3B, 3C, 3D, and 4中的第2卷（https://www.intel.com/content/www/us/en/processors/architectures-softwaredeveloper-manuals.html）。該手冊(cè)包含每個(gè)x86處理器指令的編程信息大全，包括詳細(xì)的操作說(shuō)明、有效操作數(shù)的列表、受影響的狀態(tài)標(biāo)志和潛在異常。強(qiáng)烈建議讀者在開發(fā)自己的x86匯編語(yǔ)言代碼來(lái)驗(yàn)證正確的指令用法時(shí)，充分利用這個(gè)不可或缺的參考資源。
致謝
書籍的出版和電影的制作有些類似。電影預(yù)告片頌揚(yáng)主角的演技，而書籍封面宣揚(yáng)作者的名氣。演員和作者的努力終獲得了公眾的贊譽(yù)。然而，如果沒(méi)有專業(yè)幕后團(tuán)隊(duì)的奉獻(xiàn)精神、專業(yè)知識(shí)和創(chuàng)造能力，就不可能成功創(chuàng)作一部電影或者出版一本書籍。本書也不例外。
首先感謝Apress才華橫溢的編輯團(tuán)隊(duì)所做的努力，特別感謝Steve Anglin、Mark Powers和Matthew Moodie。Paul Cohen一絲不茍的技術(shù)評(píng)審和切實(shí)可行的建議也非常值得稱贊。還要稱贊和肯定的是校對(duì)編輯Ed Kusswurm的辛勤工作和建設(shè)性的反饋。本書中的任何疏漏和不足完全由我本人負(fù)責(zé)。
我還要感謝Nirmal Selvaraj、Dulcy Nirmala、Kezia Endsley、Dhaneesh Kumar以及Apress所有制作人員所做的貢獻(xiàn)。感謝各位同事的支持和鼓勵(lì)。后，感謝我的父母Armin（RIP）和Mary以及兄弟姐妹Mary、Tom、Ed和John，感謝他們?cè)诒緯鴮懽鬟^(guò)程中的鼓勵(lì)和支持。

出版者的話
譯者序
前言
關(guān)于作者
關(guān)于技術(shù)評(píng)審專家
第1章　x86-64 Core體系結(jié)構(gòu) 1
1.1　歷史回顧 1
1.2　數(shù)據(jù)類型 3
1.2.1　基本數(shù)據(jù)類型 3
1.2.2　數(shù)值數(shù)據(jù)類型 3
1.2.3　SIMD數(shù)據(jù)類型 4
1.2.4　其他數(shù)據(jù)類型 5
1.3　內(nèi)部體系結(jié)構(gòu) 5
1.3.1　通用寄存器 6
1.3.2　RFLAGS寄存器 7
1.3.3　指令指針 8
1.3.4　指令操作數(shù) 9
1.3.5　內(nèi)存尋址 10
1.4　x86-64與x86-32編程的區(qū)別 11
1.4.1　無(wú)效指令 12
1.4.2　不推薦的指令 13
1.5　指令集概述 13
1.6　本章小結(jié) 15
第2章　x86-64 Core程序設(shè)計(jì)：第1部分 17
2.1　簡(jiǎn)單的整數(shù)算術(shù)運(yùn)算 17
2.1.1　加法和減法 18
2.1.2　邏輯運(yùn)算 20
2.1.3　移位運(yùn)算 22
2.2　高級(jí)整數(shù)算術(shù)運(yùn)算 25
2.2.1　乘法和除法 25
2.2.2　使用混合類型的運(yùn)算 28
2.3　內(nèi)存尋址和條件代碼 33
2.3.1　內(nèi)存尋址模式 33
2.3.2　條件代碼 37
2.4　本章小結(jié) 40
第3章　x86-64 Core程序設(shè)計(jì)：第2部分 42
3.1　數(shù)組 42
3.1.1　一維數(shù)組 42
3.1.2　二維數(shù)組 48
3.2　結(jié)構(gòu) 56
3.3　字符串 58
3.3.1　字符計(jì)數(shù) 58
3.3.2　字符串拼接 61
3.3.3　比較數(shù)組 65
3.3.4　數(shù)組反轉(zhuǎn) 68
3.4　本章小結(jié) 71
第4章　AVX指令集 72
4.1　AVX概述 72
4.2　SIMD編程概念 73
4.3　環(huán)繞與飽和算術(shù)運(yùn)算 74
4.4　AVX執(zhí)行環(huán)境 75
4.4.1　寄存器集 75
4.4.2　數(shù)據(jù)類型 76
4.4.3　指令語(yǔ)法 76
4.5　AVX標(biāo)量浮點(diǎn)數(shù) 77
4.5.1　浮點(diǎn)數(shù)編程概念 78
4.5.2　標(biāo)量浮點(diǎn)寄存器集 80
4.5.3　控制狀態(tài)寄存器 80
4.5.4　指令集概述 81
4.6　AVX打包浮點(diǎn)值 82
4.7　AVX打包整數(shù) 85
4.8　x86-AVX和x86-SSE之間的區(qū)別 87
4.9　本章小結(jié) 88
第5章　AVX程序設(shè)計(jì)：標(biāo)量浮點(diǎn)數(shù) 90
5.1　標(biāo)量浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算 90
5.1.1　單精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算 90
5.1.2　雙精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算 93
5.2　標(biāo)量浮點(diǎn)值的比較和轉(zhuǎn)換 97
5.2.1　浮點(diǎn)值比較 97
5.2.2　浮點(diǎn)值轉(zhuǎn)換 106
5.3　標(biāo)量浮點(diǎn)數(shù)組和矩陣 111
5.3.1　浮點(diǎn)數(shù)組 111
5.3.2　浮點(diǎn)矩陣 114
5.4　調(diào)用約定 118
5.4.1　基本堆棧幀 118
5.4.2　使用非易失性通用寄存器 122
5.4.3　使用非易失性XMM寄存器 126
5.4.4　函數(shù)序言和函數(shù)結(jié)語(yǔ)的宏 131
5.5　本章小結(jié) 136
第6章　AVX程序設(shè)計(jì)：打包浮點(diǎn)數(shù) 137
6.1　打包浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算 137
6.2　打包浮點(diǎn)值比較 142
6.3　打包浮點(diǎn)值轉(zhuǎn)換 146
6.4　打包浮點(diǎn)數(shù)組 150
6.4.1　打包浮點(diǎn)平方根 150
6.4.2　打包浮點(diǎn)數(shù)組的小值和值 154
6.4.3　打包浮點(diǎn)小二乘法 158
6.5　打包浮點(diǎn)矩陣 163
6.5.1　矩陣轉(zhuǎn)置 163
6.5.2　矩陣乘法 170
6.6　本章小結(jié) 175
第7章　AVX程序設(shè)計(jì)：打包整數(shù) 176
7.1　打包整數(shù)加法和減法運(yùn)算 176
7.2　打包整數(shù)移位 181
7.3　打包整數(shù)乘法 184
7.4　打包整數(shù)圖像處理 189
7.4.1　像素的小值和值 189
7.4.2　像素平均強(qiáng)度 196
7.4.3　像素轉(zhuǎn)換 200
7.4.4　圖像直方圖 206
7.4.5　圖像閾值化 213
7.5　本章小結(jié) 223
第8章　AVX2 224
8.1　AVX2執(zhí)行環(huán)境 224
8.2　AVX2打包浮點(diǎn)數(shù) 224
8.3　AVX2打包整數(shù) 226
8.4　x86指令集擴(kuò)展 226
8.4.1　半精度浮點(diǎn)數(shù) 227
8.4.2　乘法加法融合 227
8.4.3　通用寄存器指令集擴(kuò)展 228
8.5　本章小結(jié) 229
第9章　AVX2程序設(shè)計(jì)：打包浮點(diǎn)數(shù) 230
9.1　打包浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算 230
9.2　打包浮點(diǎn)數(shù)組 236
9.2.1　簡(jiǎn)單計(jì)算 236
9.2.2　列均值 241
9.2.3　相關(guān)系數(shù) 246
9.3　矩陣乘法和轉(zhuǎn)置 252
9.4　矩陣求逆 258
9.5　混合和排列指令 269
9.6　數(shù)據(jù)收集指令 273
9.7　本章小結(jié) 279
第10章　AVX2程序設(shè)計(jì)：打包整數(shù) 280
10.1　打包整數(shù)基礎(chǔ) 280
10.1.1　基本算術(shù)運(yùn)算 280
10.1.2　打包和解包 284
10.1.3　大小提升 289
10.2　打包整數(shù)圖像處理 293
10.2.1　像素剪裁 293
10.2.2　RGB像素的小值和值 298
10.2.3　RGB圖像到灰度圖像的轉(zhuǎn)換 304
10.3　本章小結(jié) 310
第11章　AVX2程序設(shè)計(jì)：擴(kuò)展指令集 312
11.1　FMA程序設(shè)計(jì) 312
11.1.1　卷積 312
11.1.2　標(biāo)量FMA 314
11.1.3　打包FMA 322
11.2　通用寄存器指令 329
11.2.1　不影響標(biāo)志位的乘法和移位 329
11.2.2　增強(qiáng)型位操作 333
11.3　半精度浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換 336
11.4　本章小結(jié) 339
第12章　AVX-512 340
12.1　AVX-512概述 340
12.2　AVX-512執(zhí)行環(huán)境 341
12.2.1　寄存器集 341
12.2.2　數(shù)據(jù)類型 3

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