GCCの-SオプションでC/C++コードをアセンブリ言語に変換する方法

この記事では、gccを使用してCまたはC++のソースコードからアセンブリ言語の出力を生成する方法を解説します。コンパイラがどのような機械語レベルのコードを生成しているのかを確認したい場合に非常に役立つテクニックです。

-Sオプションの基本

gccには、コンパイル過程の中間出力をすべて取得できる便利な機能が備わっています。アセンブリ出力を得るには、「-S」オプションを指定します。このオプションを付けると、コンパイルまでは実行されますが、アセンブラへ渡す前の段階で処理が停止し、アセンブリコードが出力されます。コマンドの構文は以下の通りです。

gcc -S program.cpp

このコマンドを実行すると、同じディレクトリに「program.s」というアセンブリファイルが生成されます。なお、最適化レベルを変更したい場合は「-O0」（最適化なし）や「-O2」（高レベル最適化）などのオプションを組み合わせると、最適化によるコードの違いを比較できて勉強になります。

サンプルプログラム

それでは、実際に出力がどのようになるか見てみましょう。ここではシンプルなプログラムを用意しました。2つの数値を変数xとyに格納し、その合計を別の変数に保存した後、結果を出力するだけのプログラムです。

C++コード例

#include <iostream>
using namespace std;
main() {
    int x, y, sum;
    x = 50;
    y = 60;
    sum = x + y;
    cout << "Sum is: " << sum << endl;
}

アセンブリ出力結果

上記のプログラムに対して「gcc -S test_cpp.cpp」を実行すると、以下のようなアセンブリコードが得られます（環境：Ubuntu / GCC 7.3.0）。

.file "test_cpp.cpp"
.text
.section .rodata
.type _ZStL19piecewise_construct, @object
.size _ZStL19piecewise_construct, 1
_ZStL19piecewise_construct:
.zero 1
.local _ZStL8__ioinit
.comm _ZStL8__ioinit,1,1
.LC0:
.string "Sum is: "
.text
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB1493:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
subq $16, %rsp
movl $50, -12(%rbp)
movl $60, -8(%rbp)
movl -12(%rbp), %edx
movl -8(%rbp), %eax
addl %edx, %eax
movl %eax, -4(%rbp)
leaq .LC0(%rip), %rsi
leaq _ZSt4cout(%rip), %rdi
call _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@PLT
movq %rax, %rdx
movl -4(%rbp), %eax
movl %eax, %esi
movq %rdx, %rdi
call _ZNSolsEi@PLT
movq %rax, %rdx
movq _ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_@GOTPCREL(%rip), %rax
movq %rax, %rsi
movq %rdx, %rdi
call _ZNSolsEPFRSoS_E@PLT
movl $0, %eax
leave
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1493:
.size main, .-main
.type _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, @function
_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii:
.LFB1982:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
subq $16, %rsp
movl %edi, -4(%rbp)
movl %esi, -8(%rbp)
cmpl $1, -4(%rbp)
jne .L5
cmpl $65535, -8(%rbp)
jne .L5
leaq _ZStL8__ioinit(%rip), %rdi
call _ZNSt8ios_base4InitC1Ev@PLT
leaq __dso_handle(%rip), %rdx
leaq _ZStL8__ioinit(%rip), %rsi
movq _ZNSt8ios_base4InitD1Ev@GOTPCREL(%rip), %rax
movq %rax, %rdi
call __cxa_atexit@PLT
.L5:
nop
leave
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1982:
.size _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, .-_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
.type _GLOBAL__sub_I_main, @function
_GLOBAL__sub_I_main:
.LFB1983:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl $65535, %esi
movl $1, %edi
call _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1983:
.size _GLOBAL__sub_I_main, .-_GLOBAL__sub_I_main
.section .init_array,"aw"
.align 8
.quad _GLOBAL__sub_I_main
.hidden __dso_handle
.ident "GCC: (Ubuntu 7.3.0-16ubuntu3) 7.3.0"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits

出力内容のポイント

一見複雑に見えますが、重要な部分を抜き出すと理解しやすくなります。

• 「movl $50, -12(%rbp)」「movl $60, -8(%rbp)」：変数xとyにそれぞれ50と60を代入している命令です。ローカル変数はスタック上（rbpレジスタからのオフセット位置）に配置されています。
• 「addl %edx, %eax」：2つの値を加算し、その結果をsumに相当する領域へ格納しています。
• 「call _ZNSolsEi@PLT」など：C++では関数名がマングリング（名前修飾）されるため、coutへの出力処理がこのような長いシンボル名になっています。
• _GLOBAL__sub_I_main：iostreamの静的初期化（ios_base::Initによる標準ストリームの初期化）を行うためのコードです。C++特有の部分ですね。

補足：Intel構文で出力したい場合

デフォルトのAT&T構文ではなく、Intel構文でアセンブリを出力したい場合は、以下のように「-masm=intel」オプションを追加します。

gcc -S -masm=intel program.cpp

このように、gccの-Sオプションを使えば、ソースコードがどのようにアセンブリレベルで実装されるのかを手軽に確認できます。コンパイラの最適化の挙動を学んだり、パフォーマンスチューニングを行ったりする際にぜひ活用してみてください。