GCC 5 及更高版本中的 AVX2 支持

2024-05-19

我编写了以下类“T”来加速操作 使用 AVX2 的“字符集”。然后我发现它不起作用 gcc 5 及更高版本当我使用“-O3”时。 谁能帮我追踪到一些编程结构 已知不适用于最新的编译器/系统?

该代码的工作原理:底层结构(“_bits”)是一个 256 字节的块(为 AVX2 对齐和分配),可以作为 char[256] 或 AVX2 元素进行访问,具体取决于是否访问元素或整个事情都用于向量运算。看起来它应该在 AVX2 平台上完美运行。不?

这真的很难调试,因为“valgrind”说它是干净的, 我无法使用调试器(因为问题消失了 我删除了“-O3”)。但我不满意只使用“|=” 解决方法,因为如果这段代码真的是错误的,那么我可能会 在其他地方犯同样的错误并把一切搞砸 我开发!

有趣的是,“|”运营商有问题,但 “|=”则不然。问题是否与从返回结构有关 一个函数?但我认为返回结构自 1990 年以来一直有效 或者其他的东西。

// g++ -std=c++11 -mavx2 -O3 gcc_fail.cpp

#include "assert.h"
#include "immintrin.h" // AVX

class T {
public:
  __m256i _bits[8];
  inline bool& operator[](unsigned char c)       {return ((bool*)_bits)[c];}
  inline bool  operator[](unsigned char c) const {return ((bool*)_bits)[c];}
  inline          T()                   {}
  inline explicit T(char const*);
  inline T     operator| (T const& b) const;
  inline T &   operator|=(T const& b);
  inline bool  operator! ()           const;
};

T::T(char const* s)
{
  _bits[0] = _bits[1] = _bits[2] = _bits[3] = _mm256_set1_epi32(0);
  _bits[4] = _bits[5] = _bits[6] = _bits[7] = _mm256_set1_epi32(0);
  char c;
  while ((c = *s++))
    (*this)[c] = true;
}

T T::operator| (T const& b) const
{
  T res;
  for (int i = 0; i < 8; i++)
    res._bits[i] = _mm256_or_si256(_bits[i], b._bits[i]);


  // FIXME why does the above code fail with -O3 in new gcc?
  for (int i=0; i<256; i++)
    assert(res[i] == ((*this)[i] || b[i]));
  // gcc 4.7.0 - PASS
  // gcc 4.7.2 - PASS
  // gcc 4.8.0 - PASS
  // gcc 4.9.2 - PASS
  // gcc 5.2.0 - FAIL
  // gcc 5.3.0 - FAIL
  // gcc 5.3.1 - FAIL
  // gcc 6.1.0 - FAIL


  return res;
}

T & T::operator|=(T const& b)
{
  for (int i = 0; i < 8; i++)
    _bits[i] = _mm256_or_si256(_bits[i], b._bits[i]);
  return *this;
}

bool T::operator! () const
{
  for (int i = 0; i < 8; i++)
    if (!_mm256_testz_si256(_bits[i], _bits[i]))
      return false;
  return true;
}

int Main()
{
  T sep (" ,\t\n");
  T end ("");
  return !(sep|end);
}

int main()
{
  return Main();
}

您的代码的问题是使用bool*当你应该使用时unsigned char*,这允许 GCC 5 继续进行指针别名优化。

函数机器代码的两个转储Main(),由 GCC 4.8.5 和 5.3.1 生成,位于附录中本答案的末尾以供参考。

看代码:

反编译

序言结束后,T sep's _bits被初始化为零...

  _bits[0] = _bits[1] = _bits[2] = _bits[3] = _mm256_set1_epi32(0);
  _bits[4] = _bits[5] = _bits[6] = _bits[7] = _mm256_set1_epi32(0);

  40063d:       c5 fd 7f 44 24 60               vmovdqa %ymm0,0x60(%rsp)
  400643:       c5 fd 7f 44 24 40               vmovdqa %ymm0,0x40(%rsp)
  400649:       c5 fd 7f 44 24 20               vmovdqa %ymm0,0x20(%rsp)
  40064f:       c5 fd 7f 04 24                  vmovdqa %ymm0,(%rsp)
  400654:       c5 fd 7f 84 24 e0 00 00 00      vmovdqa %ymm0,0xe0(%rsp)
  40065d:       c5 fd 7f 84 24 c0 00 00 00      vmovdqa %ymm0,0xc0(%rsp)
  400666:       c5 fd 7f 84 24 a0 00 00 00      vmovdqa %ymm0,0xa0(%rsp)
  40066f:       c5 fd 7f 84 24 80 00 00 00      vmovdqa %ymm0,0x80(%rsp)

然后基于循环写入char* s.

  char c;
  while ((c = *s++))
    (*this)[c] = true;

  400680:       48 83 c2 01                     add    $0x1,%rdx
  400684:       c6 04 04 01                     movb   $0x1,(%rsp,%rax,1)
  400688:       0f b6 42 ff                     movzbl -0x1(%rdx),%eax
  40068c:       84 c0                           test   %al,%al
  40068e:       75 f0                           jne    400680 <_Z4Mainv+0x60>

然后两个编译器都初始化T end to 0s:

  400690:       c5 f9 ef c0                     vpxor  %xmm0,%xmm0,%xmm0
  400694:       31 c0                           xor    %eax,%eax
  400696:       c5 fd 7f 84 24 60 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x160(%rsp)
  40069f:       c5 fd 7f 84 24 40 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x140(%rsp)
  4006a8:       c5 fd 7f 84 24 20 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x120(%rsp)
  4006b1:       c5 fd 7f 84 24 00 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x100(%rsp)
  4006ba:       c5 fd 7f 84 24 e0 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x1e0(%rsp)
  4006c3:       c5 fd 7f 84 24 c0 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x1c0(%rsp)
  4006cc:       c5 fd 7f 84 24 a0 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x1a0(%rsp)
  4006d5:       c5 fd 7f 84 24 80 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x180(%rsp)

然后两个编译器都优化了_mm256_or_si256()操作因为T end已知是0。但是,GCC 4.8.5副本来自T sep to T res(这就是当你将任何东西或到零变量中时发生的计算结果),而 GCC 5.3.1初始化T res to 0。它有权这样做,因为在你的operator []强制转换类型指针的方法__m256i* to bool*,并且允许编译器假设指针没有别名。因此在 GCC 4.8.5 中你会看到

  4006de:       c5 fd 6f 04 24                  vmovdqa (%rsp),%ymm0
  4006e3:       c5 fd 7f 84 24 00 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x200(%rsp)
  4006ec:       c5 fd 6f 44 24 20               vmovdqa 0x20(%rsp),%ymm0
  4006f2:       c5 fd 7f 84 24 20 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x220(%rsp)
  4006fb:       c5 fd 6f 44 24 40               vmovdqa 0x40(%rsp),%ymm0
  400701:       c5 fd 7f 84 24 40 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x240(%rsp)
  40070a:       c5 fd 6f 44 24 60               vmovdqa 0x60(%rsp),%ymm0
  400710:       c5 fd 7f 84 24 60 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x260(%rsp)
  400719:       c5 fd 6f 84 24 80 00 00 00      vmovdqa 0x80(%rsp),%ymm0
  400722:       c5 fd 7f 84 24 80 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x280(%rsp)
  40072b:       c5 fd 6f 84 24 a0 00 00 00      vmovdqa 0xa0(%rsp),%ymm0
  400734:       c5 fd 7f 84 24 a0 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x2a0(%rsp)
  40073d:       c5 fd 6f 84 24 c0 00 00 00      vmovdqa 0xc0(%rsp),%ymm0
  400746:       c5 fd 7f 84 24 c0 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x2c0(%rsp)
  40074f:       c5 fd 6f 84 24 e0 00 00 00      vmovdqa 0xe0(%rsp),%ymm0
  400758:       c5 fd 7f 84 24 e0 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x2e0(%rsp)

而在 GCC 5.3.1 中你会看到

  4006fa:       c5 fd 7f 85 f0 fe ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x110(%rbp)
  400702:       c5 fd 7f 85 10 ff ff ff         vmovdqa %ymm0,-0xf0(%rbp)
  40070a:       c5 fd 7f 85 30 ff ff ff         vmovdqa %ymm0,-0xd0(%rbp)
  400712:       c5 fd 7f 85 50 ff ff ff         vmovdqa %ymm0,-0xb0(%rbp)
  40071a:       c5 fd 7f 85 70 ff ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x90(%rbp)
  400722:       c5 fd 7f 45 90                  vmovdqa %ymm0,-0x70(%rbp)
  400727:       c5 fd 7f 45 b0                  vmovdqa %ymm0,-0x50(%rbp)
  40072c:       c5 fd 7f 45 d0                  vmovdqa %ymm0,-0x30(%rbp)

随后读取为assert()然后失败。

标准对指针别名的规定:

ISO C++11 在以下部分中提到了别名,这清楚地表明类型变量__m256i*无法使用访问bool*,但可以通过char*/unsigned char*:

§ 3.10 左值和右值 [basic.lval]

[...]

如果程序尝试通过以下类型之一以外的泛左值访问对象的存储值,则行为未定义:[52]

  • 对象的动态类型,
  • 对象动态类型的 cv 限定版本,
  • 与对象的动态类型类似的类型(如 4.4 中定义),
  • 与对象的动态类型相对应的有符号或无符号类型,
  • 与对象动态类型的 cv 限定版本相对应的有符号或无符号类型,
  • 聚合或联合类型,其元素或非静态数据成员中包括上述类型之一(递归地包括子聚合或包含的联合的元素或非静态数据成员),
  • 是对象动态类型的(可能是 cv 限定的)基类类型的类型,
  • a char or unsigned char type.

52) 此列表的目的是指定对象可以使用或不使用别名的情况。

Appendix

海湾合作委员会 4.8.5:

0000000000400620 <_Z4Mainv>:
  400620:       55                              push   %rbp
  400621:       c5 f9 ef c0                     vpxor  %xmm0,%xmm0,%xmm0
  400625:       ba e5 08 40 00                  mov    $0x4008e5,%edx
  40062a:       b8 20 00 00 00                  mov    $0x20,%eax
  40062f:       48 89 e5                        mov    %rsp,%rbp
  400632:       48 83 e4 e0                     and    $0xffffffffffffffe0,%rsp
  400636:       48 81 ec 00 03 00 00            sub    $0x300,%rsp
  40063d:       c5 fd 7f 44 24 60               vmovdqa %ymm0,0x60(%rsp)
  400643:       c5 fd 7f 44 24 40               vmovdqa %ymm0,0x40(%rsp)
  400649:       c5 fd 7f 44 24 20               vmovdqa %ymm0,0x20(%rsp)
  40064f:       c5 fd 7f 04 24                  vmovdqa %ymm0,(%rsp)
  400654:       c5 fd 7f 84 24 e0 00 00 00      vmovdqa %ymm0,0xe0(%rsp)
  40065d:       c5 fd 7f 84 24 c0 00 00 00      vmovdqa %ymm0,0xc0(%rsp)
  400666:       c5 fd 7f 84 24 a0 00 00 00      vmovdqa %ymm0,0xa0(%rsp)
  40066f:       c5 fd 7f 84 24 80 00 00 00      vmovdqa %ymm0,0x80(%rsp)
  400678:       0f 1f 84 00 00 00 00 00         nopl   0x0(%rax,%rax,1)
  400680:       48 83 c2 01                     add    $0x1,%rdx
  400684:       c6 04 04 01                     movb   $0x1,(%rsp,%rax,1)
  400688:       0f b6 42 ff                     movzbl -0x1(%rdx),%eax
  40068c:       84 c0                           test   %al,%al
  40068e:       75 f0                           jne    400680 <_Z4Mainv+0x60>
  400690:       c5 f9 ef c0                     vpxor  %xmm0,%xmm0,%xmm0
  400694:       31 c0                           xor    %eax,%eax
  400696:       c5 fd 7f 84 24 60 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x160(%rsp)
  40069f:       c5 fd 7f 84 24 40 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x140(%rsp)
  4006a8:       c5 fd 7f 84 24 20 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x120(%rsp)
  4006b1:       c5 fd 7f 84 24 00 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x100(%rsp)
  4006ba:       c5 fd 7f 84 24 e0 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x1e0(%rsp)
  4006c3:       c5 fd 7f 84 24 c0 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x1c0(%rsp)
  4006cc:       c5 fd 7f 84 24 a0 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x1a0(%rsp)
  4006d5:       c5 fd 7f 84 24 80 01 00 00      vmovdqa %ymm0,0x180(%rsp)
  4006de:       c5 fd 6f 04 24                  vmovdqa (%rsp),%ymm0
  4006e3:       c5 fd 7f 84 24 00 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x200(%rsp)
  4006ec:       c5 fd 6f 44 24 20               vmovdqa 0x20(%rsp),%ymm0
  4006f2:       c5 fd 7f 84 24 20 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x220(%rsp)
  4006fb:       c5 fd 6f 44 24 40               vmovdqa 0x40(%rsp),%ymm0
  400701:       c5 fd 7f 84 24 40 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x240(%rsp)
  40070a:       c5 fd 6f 44 24 60               vmovdqa 0x60(%rsp),%ymm0
  400710:       c5 fd 7f 84 24 60 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x260(%rsp)
  400719:       c5 fd 6f 84 24 80 00 00 00      vmovdqa 0x80(%rsp),%ymm0
  400722:       c5 fd 7f 84 24 80 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x280(%rsp)
  40072b:       c5 fd 6f 84 24 a0 00 00 00      vmovdqa 0xa0(%rsp),%ymm0
  400734:       c5 fd 7f 84 24 a0 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x2a0(%rsp)
  40073d:       c5 fd 6f 84 24 c0 00 00 00      vmovdqa 0xc0(%rsp),%ymm0
  400746:       c5 fd 7f 84 24 c0 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x2c0(%rsp)
  40074f:       c5 fd 6f 84 24 e0 00 00 00      vmovdqa 0xe0(%rsp),%ymm0
  400758:       c5 fd 7f 84 24 e0 02 00 00      vmovdqa %ymm0,0x2e0(%rsp)
  400761:       0f 1f 80 00 00 00 00            nopl   0x0(%rax)
  400768:       80 3c 04 00                     cmpb   $0x0,(%rsp,%rax,1)
  40076c:       0f b6 8c 04 00 02 00 00         movzbl 0x200(%rsp,%rax,1),%ecx
  400774:       ba 01 00 00 00                  mov    $0x1,%edx
  400779:       75 08                           jne    400783 <_Z4Mainv+0x163>
  40077b:       0f b6 94 04 00 01 00 00         movzbl 0x100(%rsp,%rax,1),%edx
  400783:       38 d1                           cmp    %dl,%cl
  400785:       0f 85 b2 00 00 00               jne    40083d <_Z4Mainv+0x21d>
  40078b:       48 83 c0 01                     add    $0x1,%rax
  40078f:       48 3d 00 01 00 00               cmp    $0x100,%rax
  400795:       75 d1                           jne    400768 <_Z4Mainv+0x148>
  400797:       c5 fd 6f 8c 24 00 02 00 00      vmovdqa 0x200(%rsp),%ymm1
  4007a0:       31 c0                           xor    %eax,%eax
  4007a2:       c4 e2 7d 17 c9                  vptest %ymm1,%ymm1
  4007a7:       0f 94 c0                        sete   %al
  4007aa:       0f 85 88 00 00 00               jne    400838 <_Z4Mainv+0x218>
  4007b0:       c5 fd 6f 8c 24 20 02 00 00      vmovdqa 0x220(%rsp),%ymm1
  4007b9:       31 c0                           xor    %eax,%eax
  4007bb:       c4 e2 7d 17 c9                  vptest %ymm1,%ymm1
  4007c0:       0f 94 c0                        sete   %al
  4007c3:       75 73                           jne    400838 <_Z4Mainv+0x218>
  4007c5:       c5 fd 6f 8c 24 40 02 00 00      vmovdqa 0x240(%rsp),%ymm1
  4007ce:       31 c0                           xor    %eax,%eax
  4007d0:       c4 e2 7d 17 c9                  vptest %ymm1,%ymm1
  4007d5:       0f 94 c0                        sete   %al
  4007d8:       75 5e                           jne    400838 <_Z4Mainv+0x218>
  4007da:       c5 fd 6f 8c 24 60 02 00 00      vmovdqa 0x260(%rsp),%ymm1
  4007e3:       31 c0                           xor    %eax,%eax
  4007e5:       c4 e2 7d 17 c9                  vptest %ymm1,%ymm1
  4007ea:       0f 94 c0                        sete   %al
  4007ed:       75 49                           jne    400838 <_Z4Mainv+0x218>
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  4007f8:       31 c0                           xor    %eax,%eax
  4007fa:       c4 e2 7d 17 c9                  vptest %ymm1,%ymm1
  4007ff:       0f 94 c0                        sete   %al
  400802:       75 34                           jne    400838 <_Z4Mainv+0x218>
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  40080d:       31 c0                           xor    %eax,%eax
  40080f:       c4 e2 7d 17 c9                  vptest %ymm1,%ymm1
  400814:       0f 94 c0                        sete   %al
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  400829:       0f 94 c0                        sete   %al
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  40083b:       c9                              leaveq 
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GCC 5:

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  40063e:       c5 f9 ef c0                     vpxor  %xmm0,%xmm0,%xmm0
  400642:       ba 25 08 40 00                  mov    $0x400825,%edx
  400647:       41 ff 72 f8                     pushq  -0x8(%r10)
  40064b:       55                              push   %rbp
  40064c:       48 89 e5                        mov    %rsp,%rbp
  40064f:       41 52                           push   %r10
  400651:       48 81 ec 08 03 00 00            sub    $0x308,%rsp
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  400660:       c5 fd 7f 85 30 fd ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x2d0(%rbp)
  400668:       c5 fd 7f 85 10 fd ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x2f0(%rbp)
  400670:       c5 fd 7f 85 f0 fc ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x310(%rbp)
  400678:       c5 fd 7f 85 d0 fd ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x230(%rbp)
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  400690:       c5 fd 7f 85 70 fd ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x290(%rbp)
  400698:       0f 1f 84 00 00 00 00 00         nopl   0x0(%rax,%rax,1)
  4006a0:       48 83 c2 01                     add    $0x1,%rdx
  4006a4:       c6 84 05 f0 fc ff ff 01         movb   $0x1,-0x310(%rbp,%rax,1)
  4006ac:       0f b6 42 ff                     movzbl -0x1(%rdx),%eax
  4006b0:       84 c0                           test   %al,%al
  4006b2:       75 ec                           jne    4006a0 <_Z4Mainv+0x70>
  4006b4:       c5 f9 ef c0                     vpxor  %xmm0,%xmm0,%xmm0
  4006b8:       31 c0                           xor    %eax,%eax
  4006ba:       c5 fd 7f 85 50 fe ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x1b0(%rbp)
  4006c2:       c5 fd 7f 85 30 fe ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x1d0(%rbp)
  4006ca:       c5 fd 7f 85 10 fe ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x1f0(%rbp)
  4006d2:       c5 fd 7f 85 f0 fd ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x210(%rbp)
  4006da:       c5 fd 7f 85 d0 fe ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x130(%rbp)
  4006e2:       c5 fd 7f 85 b0 fe ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x150(%rbp)
  4006ea:       c5 fd 7f 85 90 fe ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x170(%rbp)
  4006f2:       c5 fd 7f 85 70 fe ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x190(%rbp)
  4006fa:       c5 fd 7f 85 f0 fe ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x110(%rbp)
  400702:       c5 fd 7f 85 10 ff ff ff         vmovdqa %ymm0,-0xf0(%rbp)
  40070a:       c5 fd 7f 85 30 ff ff ff         vmovdqa %ymm0,-0xd0(%rbp)
  400712:       c5 fd 7f 85 50 ff ff ff         vmovdqa %ymm0,-0xb0(%rbp)
  40071a:       c5 fd 7f 85 70 ff ff ff         vmovdqa %ymm0,-0x90(%rbp)
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  400727:       c5 fd 7f 45 b0                  vmovdqa %ymm0,-0x50(%rbp)
  40072c:       c5 fd 7f 45 d0                  vmovdqa %ymm0,-0x30(%rbp)
  400731:       0f 1f 80 00 00 00 00            nopl   0x0(%rax)
  400738:       0f b6 94 05 f0 fc ff ff         movzbl -0x310(%rbp,%rax,1),%edx
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  400748:       84 d2                           test   %dl,%dl
  40074a:       75 08                           jne    400754 <_Z4Mainv+0x124>
  40074c:       0f b6 94 05 f0 fd ff ff         movzbl -0x210(%rbp,%rax,1),%edx
  400754:       38 d1                           cmp    %dl,%cl
  400756:       75 2c                           jne    400784 <_Z4Mainv+0x154>
  400758:       48 83 c0 01                     add    $0x1,%rax
  40075c:       48 3d 00 01 00 00               cmp    $0x100,%rax
  400762:       75 d4                           jne    400738 <_Z4Mainv+0x108>
  400764:       c5 f9 ef c0                     vpxor  %xmm0,%xmm0,%xmm0
  400768:       31 c0                           xor    %eax,%eax
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  40076f:       0f 94 c0                        sete   %al
  400772:       c5 f8 77                        vzeroupper 
  400775:       48 81 c4 08 03 00 00            add    $0x308,%rsp
  40077c:       41 5a                           pop    %r10
  40077e:       5d                              pop    %rbp
  40077f:       49 8d 62 f8                     lea    -0x8(%r10),%rsp
  400783:       c3                              retq   
  400784:       b9 60 08 40 00                  mov    $0x400860,%ecx
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  40078e:       be 29 08 40 00                  mov    $0x400829,%esi
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  400798:       c5 f8 77                        vzeroupper 
  40079b:       e8 50 fd ff ff                  callq  4004f0 <__assert_fail@plt>
本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系:hwhale#tublm.com(使用前将#替换为@)

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