うーん、32bit x 32bit = 32bitの乗算の話は、単に64bitに拡張しても分かりやすいですが、そもそもどうして32bit x 32bitの結果が64bitで与えられないのでしょうか?それは繰り返し加減乗除算を適用したいからです。アセンブリ言語ではなく型付き言語の縛りです。
試しにC++でint x intの乗算命令をディスアセンブリしてみます。
int mul(int a, int b) {
return a * b;
}
結果はWindows 10(64bit版)、Visual Studio 2015でx64ビルドしたときのものです。
int mul(int a, int b) {
00007FF6588A1680 89 54 24 10 mov dword ptr [rsp+10h],edx
00007FF6588A1684 89 4C 24 08 mov dword ptr [rsp+8],ecx
00007FF6588A1688 55 push rbp
00007FF6588A1689 57 push rdi
00007FF6588A168A 48 81 EC C8 00 00 00 sub rsp,0C8h
00007FF6588A1691 48 8B EC mov rbp,rsp
00007FF6588A1694 48 8B FC mov rdi,rsp
00007FF6588A1697 B9 32 00 00 00 mov ecx,32h
00007FF6588A169C B8 CC CC CC CC mov eax,0CCCCCCCCh
00007FF6588A16A1 F3 AB rep stos dword ptr [rdi]
00007FF6588A16A3 8B 8C 24 E8 00 00 00 mov ecx,dword ptr [rsp+0E8h]
return a * b;
00007FF6588A16AA 8B 85 E0 00 00 00 mov eax,dword ptr [a]
00007FF6588A16B0 0F AF 85 E8 00 00 00 imul eax,dword ptr [b]
}
00007FF6588A16B7 48 8D A5 C8 00 00 00 lea rsp,[rbp+0C8h]
00007FF6588A16BE 5F pop rdi
00007FF6588A16BF 5D pop rbp
00007FF6588A16C0 C3 ret
64bitコードにおける関数の戻り値はRAXレジスタで渡します。戻り値の型はintなのでRAXの下位32bit、すなわちEAXが使用されます。ここのIMUL命令は32bit x 32bit = 64bitの符号付き演算を行います。実際に行われている演算はa = [a31, a30, ... a1, a0], b = [b31, b30, ... b1, b0]とすると、c = ((a31 + b31) = 1ならば-1、そうでなければ1) * Σ_{0<=i<=30, 0<=j<=30} (ai * bj * (2 ^ (i + j))です。つまりRAX = -2147483648 * -1 = 2147483648となります。ただし-2147483648 ≡ 2147483648 (mod 4294967296)なのでEAXは-2147483648となります。
これをもう少し具体化するためにC++の関数ポインタをキャストしてみましょう。
int mul(int a, int b) {
return a * b;
}
int main()
{
static_assert(sizeof(int) == 4, "ERROR");
static_assert(sizeof(long long int) == 8, "ERROR");
long long int (*mul64)(int a, int b);
mul64 = (decltype(mul64))&mul;
long long int res = mul64(-2147483648, -1);
printf("%lld\n", res);
printf("%d\n", (int)res);
return 0;
}
実行結果は次の通りです。
2147483648
-2147483648