条件分岐とフラグレジスタ

AsmWalker ガイド — if 文・ループがアセンブラではどう動くか

1. フラグレジスタとは何か

CPU には通常の汎用レジスタ（rax, r0 など）とは別に、フラグレジスタ（APSR / RFLAGS）という 特殊なレジスタがあります。 演算命令や比較命令を実行するたびに、その結果の性質を示すビットが自動的にセットされます。

条件分岐命令はこのフラグを読んで「分岐するかどうか」を決定します。 つまり if (a > b) という C の条件は、アセンブラでは 「比較命令でフラグを立て → 条件分岐命令でフラグを見て分岐」という 2 ステップで実現されます。

2. 4 つのフラグ

3. フラグを立てる命令：CMP と TEST

CMP — 大小比較

CMP a, b は a - b を計算し、その結果によってフラグをセットします。 計算結果自体はどこにも保存されません（比較のためだけに使う減算命令です）。

; CMP 3, 3  (a == b)
; → Z=1, N=0, C=1, V=0

; CMP 5, 3  (a > b)
; → Z=0, N=0, C=1, V=0

; CMP 3, 5  (a < b)
; → Z=0, N=1, C=0, V=0

; CMP 3, 3  (a == b)
; → Z=1, N=0, C=0, V=0

; CMP 5, 3  (a > b)
; → Z=0, N=0, C=0, V=0

; CMP 3, 5  (a < b)
; → Z=0, N=1, C=1, V=0

TEST — ビットマスク確認

TEST a, b は a AND b を計算してフラグをセットします（結果は保存しない）。 主に「あるビットが立っているか」を調べるために使われます。

; if (x != 0) の判定
test eax, eax     ; eax AND eax → eax が 0 なら Z=1
jnz  .nonzero     ; Z=0 なら分岐（eax ≠ 0）

; if (x & 1) の判定（奇数チェック）
test eax, 1       ; eax AND 1 → ビット0 が 0 なら Z=1
jz   .even        ; Z=1 なら偶数

4. 条件分岐命令（Jcc / Bcc）

CMP でフラグが立ったあと、条件分岐命令がそのフラグを読んで「指定のラベルへジャンプするか否か」を判断します。 条件が成立しない場合は次の命令に進みます（fall-through）。

5. if / else 文の翻訳パターン

GCC がどのように if/else を翻訳するかを見てみましょう。

// C言語
if (a > b) {
    result = a;
} else {
    result = b;
}

    ldr  r0, [fp, #-8]    ; r0 = a
    ldr  r1, [fp, #-12]   ; r1 = b
    cmp  r0, r1            ; a - b でフラグをセット
    ble  .Lelse            ; a <= b なら else へ

; if の本体（a > b）
    ldr  r3, [fp, #-8]    ; result = a
    str  r3, [fp, #-16]
    b    .Lend             ; else をスキップ

.Lelse:
    ldr  r3, [fp, #-12]   ; result = b
    str  r3, [fp, #-16]

.Lend:

    mov  eax, DWORD PTR [rbp-4]  ; eax = a
    cmp  eax, DWORD PTR [rbp-8]  ; a - b でフラグをセット
    jle  .Lelse                   ; a <= b なら else へ

; if の本体（a > b）
    mov  eax, DWORD PTR [rbp-4]
    mov  DWORD PTR [rbp-12], eax  ; result = a
    jmp  .Lend                    ; else をスキップ

.Lelse:
    mov  eax, DWORD PTR [rbp-8]
    mov  DWORD PTR [rbp-12], eax  ; result = b

.Lend:

GCC は C の条件を反転させた分岐命令を生成するのが基本パターンです。 if (a > b) なら「a > b でないとき（a <= b のとき）else へ飛ぶ」という 逆向きの条件でジャンプします。条件が成立するとき（true の場合）は次の命令へ続くだけです。

6. while / for ループの翻訳パターン

ループは「条件チェック → 本体 → ループ先頭へ戻るジャンプ」の繰り返しに翻訳されます。

// C言語
int i = 0;
int sum = 0;
while (i < 5) {
    sum += i;
    i++;
}

    mov  r3, #0
    str  r3, [fp, #-8]    ; i = 0
    mov  r3, #0
    str  r3, [fp, #-12]   ; sum = 0

.Lloop:
    ldr  r3, [fp, #-8]    ; r3 = i
    cmp  r3, #4            ; i - 4 でフラグ
    bgt  .Lend             ; i > 4 なら終了

    ldr  r2, [fp, #-12]
    ldr  r3, [fp, #-8]
    add  r3, r2, r3        ; sum += i
    str  r3, [fp, #-12]

    ldr  r3, [fp, #-8]
    add  r3, r3, #1        ; i++
    str  r3, [fp, #-8]

    b    .Lloop             ; 先頭に戻る
.Lend:

    mov  DWORD PTR [rbp-4], 0   ; i = 0
    mov  DWORD PTR [rbp-8], 0   ; sum = 0

.Lloop:
    cmp  DWORD PTR [rbp-4], 4   ; i - 4 でフラグ
    jg   .Lend                  ; i > 4 なら終了

    mov  eax, DWORD PTR [rbp-4]
    add  DWORD PTR [rbp-8], eax ; sum += i

    add  DWORD PTR [rbp-4], 1   ; i++

    jmp  .Lloop                 ; 先頭に戻る
.Lend:

GCC の -O0 出力では「ループ先頭でチェックしてから本体を実行」するパターンが多いです。 最適化（-O1 以上）では「先に本体を実行してからチェック」する do-while 形式に 変換されることもあります（余分なジャンプを削減できるため）。

7. 符号あり比較と符号なし比較

C の比較は変数の型によって「符号あり比較」か「符号なし比較」かが決まります。 アセンブラでは異なる条件分岐命令を使い分けます。

これは CPU がフラグを使う方法の違いです。 符号あり比較では N フラグと V フラグの関係を使い、 符号なし比較では C フラグと Z フラグを使います。

8. 論理演算と短絡評価

&& や || を使った複合条件は、 アセンブラでは複数の CMP + 条件分岐の組み合わせに展開されます。

// C言語: if (a > 0 && b > 0)

    cmp  eax, 0
    jle  .Lfalse    ; a <= 0 なら即終了（短絡評価: a が false なら b を見ない）
    cmp  ebx, 0
    jle  .Lfalse    ; b <= 0 なら終了

; 両方 true の処理
    ...
.Lfalse:
    ...

C の論理 AND（&&）は左から順に評価し、最初に false になった時点で残りを評価しない 「短絡評価（short-circuit evaluation）」が保証されています。 アセンブラでは、左側の条件が偽のとき即座にラベルへジャンプすることで実現されています。

    cmp  r0, #0
    bgt  .Ltrue    ; a > 0 なら即 true
    cmp  r1, #0
    ble  .Lfalse   ; b <= 0 なら false
.Ltrue:
    ; 少なくとも一方が true

    cmp  eax, 0
    jg   .Ltrue    ; a > 0 なら即 true
    cmp  ebx, 0
    jle  .Lfalse   ; b <= 0 なら false
.Ltrue:
    ; 少なくとも一方が true

9. まとめ

条件分岐の仕組みを理解すると、アセンブラで書かれたコードの制御フローを 上から順に追うだけで「どの条件でどこへ飛んでいるか」が読み解けるようになります。 AsmWalker でサンプルコードをステップ実行しながら、 C の条件式とアセンブラの分岐命令を対比させてみてください。