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5.13 汇编语言：仿写For循环语句

2023-08-24 57
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简介： 循环语句（for）是计算机编程中的一种基本控制结构，它允许程序按照指定的次数或范围重复执行一段代码块。for循环在处理需要进行迭代操作的情况下非常有用，它使得程序可以更加方便地控制循环的次数。一般来说，for循环由三个部分组成：初始化部分、条件表达式和更新部分，以及一个需要重复执行的代码块。在每次循环迭代开始时，程序首先执行初始化部分，然后检查条件表达式的值，如果为真，则执行代码块，并在每次循环结束后执行更新部分。只要条件表达式为真，for循环就会一直重复执行；一旦条件表达式为假，循环将停止，程序继续执行循环之后的代码。

循环语句（for）是计算机编程中的一种基本控制结构，它允许程序按照指定的次数或范围重复执行一段代码块。for循环在处理需要进行迭代操作的情况下非常有用，它使得程序可以更加方便地控制循环的次数。一般来说，for循环由三个部分组成：初始化部分、条件表达式和更新部分，以及一个需要重复执行的代码块。在每次循环迭代开始时，程序首先执行初始化部分，然后检查条件表达式的值，如果为真，则执行代码块，并在每次循环结束后执行更新部分。只要条件表达式为真，for循环就会一直重复执行；一旦条件表达式为假，循环将停止，程序继续执行循环之后的代码。

11.14 FOR 循环结构优化

For语句先初始化条件变量，然后在判断是否符合条件，符合则执行循环体，不符合则跳过执行。For循环结构的效率最低，该语句的构建往往需要三个跳转来实现，首先需要初始化变量此处要进行一次判断，其次是内部循环体需要另一个判断通常用于实现跳出循环体，最后一步则需要一个无条件跳转指令跳回到循环首地址，但在开启了O2优化时编译器也会尽可能将其转换为While语句，如果可以还会继续将While转为带有IF语句的Do循环来提高执行效率。

  .386p
  .model flat,stdcall
  option casemap:none

include windows.inc
include kernel32.inc
includelib kernel32.lib

.data
  count DWORD ?
.code
  main PROC
    mov dword ptr ds:[count],0          ; 设置 int x = 0;
    jmp L2

  L1:
    mov eax,dword ptr ds:[count]        ; x = x++
    add eax,1
    mov dword ptr ds:[count],eax

  L2:
    cmp dword ptr ds:[count],10         ; 比较 x < 10
    jge lop_end

    xor eax,eax                         ; 执行循环体
    jmp L1

  lop_end:
    int 3
    invoke ExitProcess,0
  main ENDP
END main

虽然For语句在执行效率上来说是最低的，但该语句的使用确是最符合我们思维方式的，在高级语言中应用最为广泛，例如在Python中For循环体被简化成了for x in range(2,10)它可以指定一个循环范围，该语句利用汇编完全也可以被构建出来，我们接着尝试构建一下这个特别的循环体。

  .386p
  .model flat,stdcall
  option casemap:none

include windows.inc
include kernel32.inc
includelib kernel32.lib

.data
  start_count DWORD ?
  end_count DWORD ?
.code
  main PROC
    mov dword ptr ds:[start_count],2     ; 指定开始循环编号
    mov dword ptr ds:[end_count],5       ; 指定结束循环编号

    mov ecx,dword ptr ds:[start_count]
  L1:
    cmp dword ptr ds:[end_count],ecx
    jle lop_end

    xor eax,eax                          ; 循环体内部

    add ecx,1                            ; 每次递增
    mov dword ptr ds:[start_count],ecx
    jmp L1

  lop_end:
    int 3
    invoke ExitProcess,0
  main ENDP
END main

11.20 仿写For水仙花数

该C++代码实现了水仙花数的查找算法，水仙花数是指一个三位数，它的每个位上的数字的立方和等于它本身。在循环中，遍历100~999之间的每一个数，将其分解为三个数（百、十、个位），再将三个数分别平方并相加，判断与原数是否相等，如果相等则输出该数即为水仙花数。

  • 例如: 153是一个水仙花数，因为153等于1的3次方加上5的3次方加上3的3次方
#include <stdio.h>
#include <Windows.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  int x, y, z, n;
  for (n = 100; n < 1000; n++)
  {
    x = n / 100;          // 分解百位
    y = n / 10 % 10;      // 分解十位
    z = n % 10;           // 分解个位
    if (x * 100 + y * 10 + z == x*x*x + y*y*y + z*z*z)
    {
      printf("水仙花: %-5d \n", n);
    }
  }

  system("pause");
  return 0;
}

尝试使用汇编实现计算逻辑，这段代码没有任何难度，因为并不会涉及到嵌套循环的问题，只是在计算四则运算时需要格外注意些。

  .386p
  .model flat,stdcall
  option casemap:none

include windows.inc
include kernel32.inc
includelib kernel32.lib

include msvcrt.inc
includelib msvcrt.lib

.data
  x DWORD ?
  y DWORD ?
  z DWORD ?
  n DWORD ?
  szFmt BYTE '水仙花: %-5d ',0dh,0ah,0

.code
  main PROC
    mov dword ptr ds:[n],100     ; n = 100
    jmp L1
  L2: mov eax,dword ptr ds:[n]
    add eax,1                    ; n++
    mov dword ptr ds:[n],eax
  L1: mov eax,dword ptr ds:[n]
    cmp eax,1000                 ; n < 1000
    jge lop_end

    mov eax,dword ptr ds:[n]
    cdq
    mov ecx,100                  ; x = n / 100;
    idiv ecx
    mov dword ptr ds:[x],eax

    mov eax,dword ptr ds:[n]
    cdq
    mov ecx,10
    idiv ecx                     ; y = n / 10;
    cdq
    mov ecx,10
    idiv ecx                     ; y = y % 10;
    mov dword ptr ds:[y],edx

    mov eax,dword ptr ds:[n]
    cdq
    mov ecx,10
    idiv ecx                     ; z = n % 10;
    mov dword ptr ds:[z],edx

    ; 开始执行if()比较语句
    imul eax,dword ptr ds:[x],100  ; x * 100
    imul ecx,dword ptr ds:[y],10   ; y * 10
    add eax,dword ptr ds:[z]       ; + z
    add ecx,eax

    mov edx,dword ptr ds:[x]
    imul edx,dword ptr ds:[x]      ; x*x*x
    imul edx,dword ptr ds:[x]

    mov eax,dword ptr ds:[y]
    imul eax,dword ptr ds:[y]      ; y*y*y
    imul eax,dword ptr ds:[y]
    add edx,eax

    mov eax,dword ptr ds:[z]
    imul eax,dword ptr ds:[z]      ; z*z*z
    imul eax,dword ptr ds:[z]
    add edx,eax

    cmp ecx,edx   ; (x * 100 + y * 10 + z) == (x*x*x + y*y*y + z*z*z)
    jne L2

    mov eax,dword ptr ds:[n]
    invoke crt_printf,addr szFmt,eax
    jmp L2

  lop_end:
    int 3 

  main ENDP
END main

11.21 For循环尝试判断

该C++代码实现了一个简单的循环，遍历数组中的所有元素并输出大于等于50的元素。在循环中，通过判断Array数组中每个元素与50的大小关系，如果元素大于等于50，则使用printf函数输出该元素的值。最终程序输出所有大于等于50的元素。

#include <stdio.h>
#include <Windows.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
  int Array[10] = { 56,78,33,45,78,90,32,44,56,67 };

  for (int x = 0; x < 10; x++)
  {
    if (Array[x] >= 50)
    {
      printf("out -> %d \n", Array[x]);
    }
  }
  return 0;
}

上述C语言代码如果通过汇编语言实现可以写成如下样子，读者可自行理解流程；

  .386p
  .model flat,stdcall
  option casemap:none

include windows.inc
include kernel32.inc
includelib kernel32.lib

include msvcrt.inc
includelib msvcrt.lib

.data
  MyArray DWORD 56,78,33,45,78,90,32,44,56,67
  count DWORD ?
  szFmt BYTE 'out -> %d ',0dh,0ah,0

.code
  main PROC

    mov dword ptr ds:[count],0      ; int x = 0
    jmp L1
  L2: mov eax,dword ptr ds:[count]
    add eax,1                       ; x ++
    mov dword ptr ds:[count],eax
  L1:
    cmp dword ptr ds:[count],10     ; x < 10
    jge lop_end

    mov eax,dword ptr ds:[count]          ; 获取循环次数,当作因子
    lea esi,dword ptr ds:[MyArray]        ; 取数组基地址
    mov ebx,dword ptr ds:[esi + eax * 4]  ; 因子寻址
    cmp ebx,50
    jl L2                                 ; 如果小于50则跳转到下一次循环

    invoke crt_printf,addr szFmt,ebx      ; 调用系统crt
    jmp L2

  lop_end:
    int 3

    invoke ExitProcess,0
  main ENDP
END main

在读者学会了上述代码编写之后，我们继续增加代码的复杂度，如下所示代码实现了对整型数组的最大值、最小值、元素总和以及平均值的计算。在循环中，通过依次遍历数组中的每一个元素，维护一个当前最大值max_result和最小值min_result，并对元素进行累加求和，最终计算出数组中所有元素的平均值avg_result。代码中使用printf函数输出求得的四个值(max、min、sum、avg)，并使用system函数暂停程序以便观察输出结果。

#include <stdio.h>
#include <Windows.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  int Array[10] = { 56,78,33,45,78,90,32,44,56,67 };
  int max_result = 0,min_result = 100,sum_result = 0,avg_result = 0;

  for (int x = 0; x < 10; x++)
  {
    if (Array[x] >= max_result)
    {
      max_result = Array[x];
    }
    if (Array[x] <= min_result)
    {
      min_result = Array[x];
    }
    sum_result = sum_result + Array[x];
    avg_result = sum_result / 10;
  }
  printf("max = %d min = %d sum = %d avg = %d \n", max_result,min_result,sum_result,avg_result);
  system("pause");
  return 0;
}

上述代码读者可尝试使用汇编语言来实现一下，如下代码是笔者思考后编写出来的实现流程，读者可自行对照参考；

  .386p
  .model flat,stdcall
  option casemap:none

include windows.inc
include kernel32.inc
includelib kernel32.lib

include msvcrt.inc
includelib msvcrt.lib

.data
  MyArray DWORD 56,78,33,45,78,90,32,44,56,67
  count DWORD ?
  max_result DWORD 0
  min_result DWORD 100
  sum_result DWORD 0
  avg_result DWORD 0

  szFmt BYTE 'max = %d min= %d sum= %d avg = %d ',0dh,0ah,0

.code
  main PROC
    mov dword ptr ds:[count],0      ; int x = 0
    jmp L1
  L2: mov eax,dword ptr ds:[count]
    add eax,1                       ; x ++
    mov dword ptr ds:[count],eax
  L1:
    cmp dword ptr ds:[count],10     ; x < 10
    jge lop_end

    mov eax,dword ptr ds:[count]
    lea esi,dword ptr ds:[MyArray]

    mov ebx,dword ptr ds:[esi + eax * 4]
    cmp ebx,dword ptr ds:[max_result]      ; Array[x] >= max_result
    jl L3
    mov dword ptr ds:[max_result],ebx      ; max_result = Array[x];
  L3:
    mov ebx,dword ptr ds:[esi + eax * 4]
    cmp ebx,dword ptr ds:[min_result]      ; Array[x] <= min_result
    jg L4
    mov dword ptr ds:[min_result],ebx

  L4:
    mov ebx,dword ptr ds:[esi + eax * 4]   ; Array[x]
    add dword ptr ds:[sum_result],ebx      ; sum_result = sum_result + Array[x];

    mov eax,dword ptr ds:[sum_result]
    cdq                                    ; 符号扩展
    mov ecx,10                             ; / 10
    idiv ecx                               ; sum_result / 10;
    mov dword ptr ds:[avg_result],eax      ; avg_result
    jmp L2

  lop_end:
    mov eax,dword ptr ds:[max_result]
    mov ebx,dword ptr ds:[min_result]
    mov ecx,dword ptr ds:[sum_result]
    mov edx,dword ptr ds:[avg_result]
    invoke crt_printf,addr szFmt,eax,ebx,ecx,edx
    int 3
  main ENDP
END main

11.22 For循环多重IF判断

该C++代码实现了对两个数组进行元素相加，并输出相加结果的奇偶性。在循环中，对SrcArray和DstArray两个数组中的元素相加，如果两个元素均不为0，则判断相加的结果是否为偶数，如果是，则使用printf函数输出偶数sum的形式，否则输出基数sum的形式。其中sum表示两个元素相加的结果。代码中使用system函数暂停程序以便观察输出结果。

#include <stdio.h>
#include <Windows.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  int SrcArray[10] = { 56,78,33,45,78,90,32,15,56,67 };
  int DstArray[10] = { 59,77,89,23,11,45,67,88,93,27 };
  int index = 0;

  for (index = 0; index < 10; index++)
  {
    if (SrcArray[index] != 0 && DstArray[index] != 0)
    {
      int sum = SrcArray[index] + DstArray[index];
      if (sum % 2 == 0)
        printf("偶数: %d \n", sum);
      else
        printf("基数: %d \n", sum);
    }
  }
  system("pause");
  return 0;
}

上述代码片段的逻辑并不复杂，仅仅只是循环内部嵌套双层判断，笔者思考片刻后即写出了与之对应的汇编代码；

  .386p
  .model flat,stdcall
  option casemap:none

include windows.inc
include kernel32.inc
includelib kernel32.lib

include msvcrt.inc
includelib msvcrt.lib

.data
  SrcArray DWORD 56,78,33,45,78,90,32,15,56,67
  DstArray DWORD 59,77,89,23,11,45,67,88,93,27
  index DWORD 0
  sum DWORD 0

  szFmt1 BYTE '基数: %d ',0dh,0ah,0
  szFmt2 BYTE '偶数: %d ',0dh,0ah,0

.code
  main PROC
    mov dword ptr ds:[index],0        ; index = 0

    jmp L1
  L2: mov eax,dword ptr ds:[index]
    add eax,1                         ; index++
    mov dword ptr ds:[index],eax
  L1:
    cmp dword ptr ds:[index],10       ; index < 10
    jge lop_end

    mov eax,dword ptr ds:[index];
    cmp dword ptr ds:[SrcArray + eax * 4],0
    je L2                                     ; SrcArray[index] != 0

    mov eax,dword ptr ds:[index]
    cmp dword ptr ds:[DstArray + eax * 4],0   ; DstArray[index] != 0
    je L2

    ; ------------------------------------------
    ; 另类加法,通过一个SrcArray定位DstArray完成加法

    mov eax,dword ptr ds:[index]                 ; 获取因子
    lea esi,dword ptr ds:[SrcArray]              ; 取数组首地址

    mov ebx,dword ptr ds:[esi + eax * 4]         ; 获取 SrcArray[index]
    mov ecx,dword ptr ds:[esi + eax * 4 + 40]    ; 获取 DstArray[index]
    add ebx,ecx                                  ; SrcArray[index] + DstArray[index]
    mov dword ptr ds:[sum],ebx                   ; sum = SrcArray[index] + DstArray[index]

    mov eax,dword ptr ds:[sum]
    and eax,080000001h                           ; sum % 2 == 0
    test eax,eax
    jne L3

    invoke crt_printf,addr szFmt2,dword ptr ds:[sum]  ; 偶数输出
    jmp L2
  L3:
    invoke crt_printf,addr szFmt1,dword ptr ds:[sum]  ; 基数输出
    jmp L2
  lop_end:
    int 3

  main ENDP
END main

11.23 For嵌套乘法口诀表

该C++代码实现了乘法口诀表的打印。在两个for循环中，分别对x和y进行遍历，对每一次的遍历输出一个乘法口诀表的元素。代码中使用printf函数实现输出，并使用\n进行换行。程序遍历打印了从11到99的所有乘积的结果，这就是乘法口诀表。

#include <stdio.h>
#include <Windows.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  for (int x = 1; x < 10; x++)
  {
    for (int y = 1; y <= x; y++)
    {
      int result = x*y;
      printf("%d*%d=%-3d", y, x, result);
    }
    printf("\n");
  }
  system("pause");
  return 0;
}

乘法口诀表的实现方法只需要嵌套两层FOR循环语句，在使用汇编语言实现之前我们可以先来构建出这个双层循环体，如下代码所示；

  .386p
  .model flat,stdcall
  option casemap:none

include windows.inc
include kernel32.inc
includelib kernel32.lib

include msvcrt.inc
includelib msvcrt.lib

.data
  x DWORD ?
  y DWORD ?
  szFmt BYTE '内层循环: %d 外层循环: %d ',0dh,0ah,0
  szPr  BYTE '----->',0dh,0ah,0

.code
  main PROC
    mov dword ptr ds:[x],1        ; int x = 1
    jmp L1
  L2: mov eax,dword ptr ds:[x]
    add eax,1                     ; x++
    mov dword ptr ds:[x],eax
  L1: 
    cmp dword ptr ds:[x],10       ; x < 10
    jge lop_end

    mov dword ptr ds:[y],1        ; y = 1
    jmp L3
  L5: mov eax,dword ptr ds:[y]
    add eax,1                     ; y++
    mov dword ptr ds:[y],eax
  L3:
    mov eax,dword ptr ds:[y]
    cmp eax,dword ptr ds:[x]      ; y <= x
    jg L4

    ; 执行的是循环体内部
    mov eax,dword ptr ds:[x]
    mov ebx,dword ptr ds:[y]
    invoke crt_printf,addr szFmt,eax,ebx

    jmp L5
  L4:
    ; 执行外层循环
    invoke crt_printf,addr szPr

    jmp L2
  lop_end:
    int 3

  main ENDP
END main

当有了双层循环体结构之后，我们只需要再其循环之上增加一个乘法计算功能即可，完整的计算流程如下所示；

  .386p
  .model flat,stdcall
  option casemap:none

include windows.inc
include kernel32.inc
includelib kernel32.lib

include msvcrt.inc
includelib msvcrt.lib

.data
  x DWORD ?
  y DWORD ?
  szFmt BYTE '%d * %d = %d ',0
  szPr  BYTE ' ',0dh,0ah,0
.code
  main PROC
    mov dword ptr ds:[x],1        ; int x = 1
    jmp L1
  L2: mov eax,dword ptr ds:[x]
    add eax,1                     ; x++
    mov dword ptr ds:[x],eax
  L1: 
    cmp dword ptr ds:[x],10       ; x < 10
    jge lop_end

    mov dword ptr ds:[y],1        ; y = 1
    jmp L3
  L5: mov eax,dword ptr ds:[y]
    add eax,1                     ; y++
    mov dword ptr ds:[y],eax
  L3:
    mov eax,dword ptr ds:[y]
    cmp eax,dword ptr ds:[x]      ; y <= x
    jg L4

    ; 执行的是循环体内部
    mov eax,dword ptr ds:[x]
    imul eax,dword ptr ds:[y]
    invoke crt_printf,addr szFmt,dword ptr ds:[y],dword ptr ds:[x],eax

    jmp L5
  L4:
    ; 执行外层循环
    invoke crt_printf,addr szPr

    jmp L2
  lop_end:
    int 3

  main ENDP
END main

11.24 For语句冒泡排序

该C++代码实现了冒泡排序算法对整型数组进行排序。在冒泡排序算法中，数组中每两个相邻的元素，如果前一个元素大于后一个元素，则交换这两个元素的位置。循环遍历数组多次，每次将未排序的最大值向数组末尾冒泡，直到数组中的所有元素都排好序。代码中使用两层for循环实现排序，内层循环从数组末尾开始，逐步向前遍历，交换相邻的两个元素。外层循环控制排序的遍历次数，只有在当前相邻两个数未排序时才进行交换。程序最终输出排序后的数组。

#include <stdio.h>
#include <Windows.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  int Array[10] = { 34,78,65,77,89,43,23,55,67,8 };
  int x, y, temporary, ArraySize=10;

  for (x = 0; x < ArraySize - 1; x++)
  {
    for (y = ArraySize - 1; y > x; y--)
    {
      if (Array[y - 1] > Array[y])
      {
        temporary = Array[y - 1];
        Array[y - 1] = Array[y];
        Array[y] = temporary;
      }
    }
  }

  for (int x = 0; x < 10; x++)
  {
    printf("%d \n", Array[x]);

  system("pause");
  return 0;
}

由于冒泡排序牵扯到了数据交换所以汇编版本可能稍显负责，不过大体框架还是没有脱离二层循环，仅仅只是在二层循环内部增加了一个判断流程而已，其实如果认真构建相信读者也可以很容易的写出来。

  .386p
  .model flat,stdcall
  option casemap:none

include windows.inc
include kernel32.inc
includelib kernel32.lib

include msvcrt.inc
includelib msvcrt.lib

.data
  Array DWORD 34,78,65,77,89,43,23,55,67,8
  x DWORD ?
  y DWORD ?
  Temporary DWORD ?
  ArraySize DWORD ?
  szFmt BYTE '%d --> %d ',0dh,0ah,0

.code
  main PROC
    ; 初始化的部分
    mov dword ptr ds:[x],0            ; x=0
    mov dword ptr ds:[ArraySize],10   ; ArraySize=10

    ; 外层循环体
    jmp L1
  L2: mov eax,dword ptr ds:[x]
    add eax,1                          ; x++
    mov dword ptr ds:[x],eax

  L1: mov eax,dword ptr ds:[ArraySize]
    sub eax,1                          ; ArraySize - 1
    cmp dword ptr ds:[x],eax           ; x < ArraySize
    jge lop_end

    ; 内层循环体内容
    mov eax,dword ptr ds:[ArraySize]
    sub eax,1
    mov dword ptr ds:[y],eax

    jmp L3
  L4: mov eax,dword ptr ds:[y]
    sub eax,1                           ; y--
    mov dword ptr ds:[y],eax

  L3: mov eax,dword ptr ds:[y]
    cmp eax,dword ptr ds:[x]            ; Array[y - 1] > Array[y]
    jle L2

    ; 寻址y和y-1的位置
    mov esi,dword ptr ds:[y]

    mov ebx,dword ptr ds:[Array + esi * 4]         ; Array[y]
    mov edx,dword ptr ds:[Array + esi * 4 - 4]     ; Array[y - 1]
    cmp edx,ebx
    jle L4

    ; 数据交换
    mov dword ptr ds:[Array + esi * 4],edx         ; Array[y] = Array[y - 1]
    mov dword ptr ds:[Array + esi * 4 - 4],ebx     ; Array[y - 1] = Array[y]
    ; invoke crt_printf,addr szFmt,ebx,edx

    jmp L4
    jmp L2

  lop_end:
    nop

    ; 执行打印函数
    mov dword ptr ds:[Temporary],0

    jmp L5
  L7: mov eax,dword ptr ds:[Temporary]
    add eax,1
    mov dword ptr ds:[Temporary],eax
  L5:
    mov eax,dword ptr ds:[Temporary]
    cmp eax,10
    jge L6

    lea esi,dword ptr ds:[Array]                ; 取数组基地址
    mov esi,dword ptr ds:[Array + eax * 4]      ; 比例因子寻址
    invoke crt_printf,addr szFmt,esi,esi
    jmp L7
  L6:
    int 3

  main ENDP
END main

至此，汇编中的循环结构仿写就告一段落了，笔者提醒大家，由于汇编难度较大，且代码都是线性的，所以在编写之前要分析好主次关系，当有了主次关系之后，我们就需要静下心来，一个个构建，由外到内步步为营，其实汇编也并不是那么可怕。

本文作者： 王瑞
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