ART世界探險(xiǎn)(2) - 從java byte code說(shuō)起

Dalvik時(shí)代，如果不做JIT的話，只需要了解java字節(jié)碼和Dalivk的字節(jié)碼就夠了。但是，到了ART時(shí)代，我們可能還要至少學(xué)習(xí)兩種新東西：一個(gè)是編譯后端的IR中間代碼。比如，我們假如使用LLVM做為編譯后端的話，需要做從dex到LLVM IR的轉(zhuǎn)換工作。這個(gè)IR可能還不只一層，比如分中層的MIR和底層的LIR。
最后，我們還得了解機(jī)器指令。僅就ARM來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在是64位時(shí)代了，我們需要了解的就是AArch64和AArch32兩種狀態(tài)下的A64,A32,Thumb2和Thumb四種指令集，還有NEON指令擴(kuò)展等。

Java字節(jié)碼指令集一覽

我們先看一下Android提供的Java指令集簡(jiǎn)表，在這個(gè)網(wǎng)址可以看到：http://androidxref.com/6.0.1_r10/xref/dalvik/docs/java-bytecode.html

一共200條指令。不過(guò)大家千萬(wàn)別被這么多指令嚇到啊，相對(duì)來(lái)說(shuō)絕大部分指令還是非常簡(jiǎn)單的。我們用一講的時(shí)間就可以講個(gè)大概，細(xì)節(jié)將來(lái)遇到再說(shuō)。倒是后面我們講ARM指令的時(shí)候篇幅搞不好要長(zhǎng)一點(diǎn)。

反匯編，學(xué)指令

如果一個(gè)一個(gè)指令地講下來(lái)，估計(jì)大家都睡著了。所以我們都過(guò)反匯編我們寫的代碼的方式來(lái)學(xué)習(xí)，學(xué)得差不多了，我們?cè)侔阎噶畲幌隆Ｒ磺幸詫?shí)用為先，我們嘗試一下吧。

首先我們還是以上一講的empty3例子說(shuō)起。
我們首先用javap工具反匯編一下BuildConfig那個(gè)類：

javap -c com.yunos.system.empty3.BuildConfig

反匯編出來(lái)的代碼如下：

Compiled from "BuildConfig.java"
public final class com.yunos.system.empty3.BuildConfig {
  public static final boolean DEBUG;

  public static final java.lang.String APPLICATION_ID = "com.yunos.system.empty3";

  public static final java.lang.String BUILD_TYPE = "debug";

  public static final java.lang.String FLAVOR = "";

  public static final int VERSION_CODE = 1;

  public static final java.lang.String VERSION_NAME = "1.0";

  public com.yunos.system.empty3.BuildConfig();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return
    LineNumberTable:
      line 6: 0
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
          0       5     0  this   Lcom/yunos/system/empty3/BuildConfig;

  static {};
    Code:
       0: ldc           #2                  // String true
       2: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Boolean.parseBoolean:(Ljava/lang/String;)Z
       5: putstatic     #4                  // Field DEBUG:Z
       8: return
    LineNumberTable:
      line 7: 0
}

BuildConfig構(gòu)造方法

我們先看BuildConfig構(gòu)造這段：

       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

第一條是aload_<n>指令，這個(gè)家族共有4條指令，aload_0, aload_1, aload_2, aload_3.指令代碼從0x2a到0x2d。
這條指令的含義是：從局部變量中，取第n個(gè)的值。取第0個(gè)就是aload_0，第1個(gè)是aload_1。
如果取第4個(gè)怎么辦？這時(shí)候一個(gè)字節(jié)的指令不夠用了，另有一個(gè)aload指令，后面接一個(gè)字節(jié)提供數(shù)字。
相當(dāng)于，aload_0是aload 0指令的簡(jiǎn)寫，但是aload 0占兩個(gè)字節(jié)，而aload_0占一個(gè)字節(jié)。

第二條指令是invokespecial，調(diào)用對(duì)象實(shí)例的方法，尤其是調(diào)用super方法，私有方法和構(gòu)造方法。因?yàn)檫@里是要調(diào)用父類的初始化方法，所以正好該是invokespecial.

第三條是return，不帶值返回。

一共就這3條指令，還是挺好理解的吧？

BuildConfig的靜態(tài)部分

學(xué)習(xí)了3條指令的，我們?cè)賹W(xué)一個(gè)4條指令的：

  static {};
    Code:
       0: ldc           #2                  // String true
       2: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Boolean.parseBoolean:(Ljava/lang/String;)Z
       5: putstatic     #4                  // Field DEBUG:Z
       8: return
    LineNumberTable:
      line 7: 0

第一條，ldc，從常量池中將常量讀出來(lái)壓入棧中。JVM是基于棧的，操作數(shù)都是從棧上取，結(jié)果也壓到棧里面去。
第二條，invokestatic，這是我們學(xué)到的第二條invoke類指令了，上一條是invokespecial，這個(gè)顧名思義，就是調(diào)用靜態(tài)方法專用的指令。
第三條，putstatic，將棧中的值，放到靜態(tài)域中。
第四條，return，無(wú)數(shù)據(jù)返回。

流程很簡(jiǎn)單，先從常量池將true讀出來(lái)放到棧里，然后調(diào)用Boolean.parseBoolean，參數(shù)就是剛才放入棧的true字符串，解析好之后的值又入棧。接著，putstatic從棧里讀取這個(gè)boolean的值，寫到DEBUG這個(gè)域中。最后返回。

class的基本結(jié)構(gòu)

因?yàn)槭侨腴T文章，暫時(shí)我們先不講class文件各模塊的細(xì)節(jié)，只是先有個(gè)感性認(rèn)識(shí)：

• 常量池：class中有常量池，有很多指令是操作常量池的。將常量池中的值讀出來(lái)放到棧中。
• 方法：class文件中，方法是有專門存儲(chǔ)模塊的，invoke集指令去調(diào)用的時(shí)候，從中去查找。
• 域：不管是靜態(tài)域還是對(duì)象實(shí)例中的普通域，我們有很多指令是用來(lái)操作它們的。
• 棧：JVM最重要的結(jié)構(gòu)就是這個(gè)棧，大部分的操作都是通過(guò)這個(gè)棧來(lái)操作。后面學(xué)習(xí)Dalvik指令的時(shí)候我們會(huì)看到，比起JVM中基本都是棧操作的這種指令，Dalvik大量使用了寄存器。

運(yùn)算指令

下面我們?cè)倏戳硪淮箢惖闹噶?，運(yùn)算相關(guān)的指令。
我們還是老辦法，先寫個(gè)例子，然后再反匯編，看它背后的故事。我們先寫個(gè)最簡(jiǎn)單的加法運(yùn)算：

package com.yunos.xulun.testcppjni2;

public class TestART {
    public static int add(int a, int b){
        return a+b;
    }
}

反匯編之后是這樣的：

Compiled from "TestART.java"
public class com.yunos.xulun.testcppjni2.TestART {
  public com.yunos.xulun.testcppjni2.TestART();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return
    LineNumberTable:
      line 3: 0
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
          0       5     0  this   Lcom/yunos/xulun/testcppjni2/TestART;

  public static int add(int, int);
    Code:
       0: iload_0
       1: iload_1
       2: iadd
       3: ireturn
    LineNumberTable:
      line 5: 0
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
          0       4     0     a   I
          0       4     1     b   I
}

默認(rèn)生成的構(gòu)造方法，以后我們就略過(guò)不提了。
這個(gè)加法運(yùn)算，一共4條指令：

1. iload_0，從棧頂?shù)?個(gè)位置取一個(gè)整數(shù)
2. iload_1，從棧頂?shù)?個(gè)位置取一個(gè)整數(shù)
3. iadd，將這兩個(gè)整數(shù)相加
4. ireturn，返回一個(gè)整數(shù)。

運(yùn)算指令多，是因?yàn)橹噶罴?jí)沒(méi)辦法做泛型，針對(duì)每種類型數(shù)據(jù)都得做一條指令，所以，加法這一個(gè)操作，就得4條指令，分別對(duì)應(yīng)整型，長(zhǎng)整型，單精度，雙精度：

指令中，第一個(gè)字符為i的對(duì)應(yīng)整型，l是長(zhǎng)整型，f是單精度，d是雙精度。
當(dāng)然不光加法是這樣，減法，乘法，除法也是一樣。從棧上讀數(shù)，轉(zhuǎn)化成什么類型，也是4種類型都要支持。

類型轉(zhuǎn)換

那么一個(gè)問(wèn)題來(lái)了，既然只有4種類型的計(jì)算指令，其它類型怎么辦？
JVM提供了一堆類型轉(zhuǎn)換的指令來(lái)滿足這個(gè)需求。
有一些類型直接連轉(zhuǎn)換都省了，比如short和byte，在JVM里，就是當(dāng)int來(lái)處理。

我們做個(gè)試驗(yàn)：

    public static int sub(int a, short b){
        return a-b;
    }

反匯編了之后發(fā)現(xiàn)，一個(gè)int跟short，或者是兩個(gè)short相減，跟兩個(gè)int做減法就沒(méi)有區(qū)別：

  public static int sub(int, short);
    Code:
       0: iload_0
       1: iload_1
       2: isub
       3: ireturn
    LineNumberTable:
      line 9: 0
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
          0       4     0     a   I
          0       4     1     b   S

所以，以后大家就用int吧，不是數(shù)組的話，short跟byte也是int。
為什么？因?yàn)闂＞褪且詉nt為單位的??！寄存器的還值得拆成兩個(gè)用，棧真就不需要了。

我們?cè)倏匆粋€(gè)帶類型轉(zhuǎn)換的：

    public static long mul(int a, byte b){
        return a*b;
    }

反匯編之后，出現(xiàn)一條將整型轉(zhuǎn)成長(zhǎng)整型的i2l指令。

  public static long mul(int, byte);
    Code:
       0: iload_0
       1: iload_1
       2: imul
       3: i2l
       4: lreturn
    LineNumberTable:
      line 13: 0
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
          0       5     0     a   I
          0       5     1     b   B

因?yàn)榉祷刂狄彩情L(zhǎng)整型了，所以返回指令變成lreturn了。

趁熱打鐵，我們強(qiáng)勢(shì)切入Dalvik指令

對(duì)JVM指令有了初步的理解之后，我們絕不沾沾自喜，迅速看看Dalvik指令是什么樣子的。

先從記憶中把BuildConfig那段翻出來(lái)，JVM是這樣的：

       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

我們看看，轉(zhuǎn)成Dalvik是什么樣的：

00052c:                                        |[00052c] com.yunos.system.empty3.BuildConfig.<init>:()V
00053c: 7010 1100 0000                         |0000: invoke-direct {v0}, Ljava/lang/Object;.<init>:()V // method@0011
000542: 0e00                                   |0003: return-void

看完了之后有沒(méi)有會(huì)心一笑？invokespecial指令換了個(gè)名，叫invoke-direct，帶一個(gè)v0寄存器的參數(shù)，所以aload_0省了。
return換了個(gè)更貼切的名字：return-void。我們前面學(xué)過(guò)了ireturn,lreturn，這個(gè)不帶值的return，確實(shí)叫return-void很合適。

再對(duì)比另一段：

       0: ldc           #2                  // String true
       2: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Boolean.parseBoolean:(Ljava/lang/String;)Z
       5: putstatic     #4                  // Field DEBUG:Z
       8: return

對(duì)應(yīng)過(guò)來(lái)是：

000508:                                        |[000508] com.yunos.system.empty3.BuildConfig.<clinit>:()V
000518: 1a00 4a00                              |0000: const-string v0, "true" // string@004a
00051c: 7110 1000 0000                         |0002: invoke-static {v0}, Ljava/lang/Boolean;.parseBoolean:(Ljava/lang/String;)Z // method@0010
000522: 0a00                                   |0005: move-result v0
000524: 6a00 0200                              |0006: sput-boolean v0, Lcom/yunos/system/empty3/BuildConfig;.DEBUG:Z // field@0002
000528: 0e00                                   |0008: return-void

ldc變成了const-string，就是換個(gè)名，多個(gè)v0寄存器。invokestatic多了個(gè)"-"，也是多了個(gè)寄存器參數(shù)。
因?yàn)閕nvoke-static返回的值是在棧里，所以需要一條額外的move-result指令將棧頂值放入寄存器。
putstatic變成了sput，加上類型，變成sput-boolean。
最后return-void.

好，我們?cè)倏聪?，加，減，乘的那幾個(gè)：

0f477c:                                        |[0f477c] com.yunos.xulun.testcppjni2.TestART.add:(II)I
0f478c: 9000 0102                              |0000: add-int v0, v1, v2
0f4790: 0f00                                   |0002: return v0

iadd變成了add-int指令，帶有三個(gè)寄存器參數(shù)，v1和v2是兩個(gè)加數(shù)，和放在v0中。
ireturn變成return v0

減法以此類推：

0f47ac:                                        |[0f47ac] com.yunos.xulun.testcppjni2.TestART.sub:(IS)I
0f47bc: 9100 0102                              |0000: sub-int v0, v1, v2
0f47c0: 0f00                                   |0002: return v0

乘法的增加一條類型轉(zhuǎn)換：

0f4794:                                        |[0f4794] com.yunos.xulun.testcppjni2.TestART.mul:(IB)J
0f47a4: 9200 0203                              |0000: mul-int v0, v2, v3
0f47a8: 8100                                   |0002: int-to-long v0, v0
0f47aa: 1000                                   |0003: return-wide v0

i2l換了個(gè)馬甲叫int-to-long。
lreturn變成了return-wide。

最后收尾，ARM指令

我們最后看下幾個(gè)計(jì)算函數(shù)生成的機(jī)器代碼吧：

add的機(jī)器代碼

    CODE: (code_offset=0x0050151c size_offset=0x00501518 size=76)...
      0x0050151c: d1400bf0  sub x16, sp, #0x2000 (8192)
      0x00501520: b940021f  ldr wzr, [x16]
      suspend point dex PC: 0x0000
      0x00501524: f81e0fe0  str x0, [sp, #-32]!
      0x00501528: f9000ffe  str lr, [sp, #24]
      0x0050152c: b9002be1  str w1, [sp, #40]
      0x00501530: b9002fe2  str w2, [sp, #44]
      0x00501534: 79400250  ldrh w16, [tr] (state_and_flags)
      0x00501538: 35000130  cbnz w16, #+0x24 (addr 0x50155c)
      0x0050153c: b9402be0  ldr w0, [sp, #40]
      0x00501540: b9402fe1  ldr w1, [sp, #44]
      0x00501544: 0b010002  add w2, w0, w1
      0x00501548: b90013e2  str w2, [sp, #16]
      0x0050154c: b94013e0  ldr w0, [sp, #16]
      0x00501550: f9400ffe  ldr lr, [sp, #24]
      0x00501554: 910083ff  add sp, sp, #0x20 (32)
      0x00501558: d65f03c0  ret
      0x0050155c: f9421e5e  ldr lr, [tr, #1080] (pTestSuspend)
      0x00501560: d63f03c0  blr lr
      suspend point dex PC: 0x0000
      0x00501564: 17fffff6  b #-0x28 (addr 0x50153c)

核心就這一條add w2, w0, w1，其余都是折騰棧和寄存器。指令用的是w[n]而不是x[n]，進(jìn)行的是32位的加法。

減法

    CODE: (code_offset=0x0050160c size_offset=0x00501608 size=76)...
      0x0050160c: d1400bf0  sub x16, sp, #0x2000 (8192)
      0x00501610: b940021f  ldr wzr, [x16]
      suspend point dex PC: 0x0000
      0x00501614: f81e0fe0  str x0, [sp, #-32]!
      0x00501618: f9000ffe  str lr, [sp, #24]
      0x0050161c: b9002be1  str w1, [sp, #40]
      0x00501620: b9002fe2  str w2, [sp, #44]
      0x00501624: 79400250  ldrh w16, [tr] (state_and_flags)
      0x00501628: 35000130  cbnz w16, #+0x24 (addr 0x50164c)
      0x0050162c: b9402be0  ldr w0, [sp, #40]
      0x00501630: b9402fe1  ldr w1, [sp, #44]
      0x00501634: 4b010002  sub w2, w0, w1
      0x00501638: b90013e2  str w2, [sp, #16]
      0x0050163c: b94013e0  ldr w0, [sp, #16]
      0x00501640: f9400ffe  ldr lr, [sp, #24]
      0x00501644: 910083ff  add sp, sp, #0x20 (32)
      0x00501648: d65f03c0  ret
      0x0050164c: f9421e5e  ldr lr, [tr, #1080] (pTestSuspend)
      0x00501650: d63f03c0  blr lr
      suspend point dex PC: 0x0000
      0x00501654: 17fffff6  b #-0x28 (addr 0x50162c)

除了加法換成了減法：sub w2, w0, w1，其余基本一樣啊。

乘法

    CODE: (code_offset=0x0050158c size_offset=0x00501588 size=88)...
      0x0050158c: d1400bf0  sub x16, sp, #0x2000 (8192)
      0x00501590: b940021f  ldr wzr, [x16]
      suspend point dex PC: 0x0000
      0x00501594: f81e0fe0  str x0, [sp, #-32]!
      0x00501598: f9000ffe  str lr, [sp, #24]
      0x0050159c: b9002be1  str w1, [sp, #40]
      0x005015a0: b9002fe2  str w2, [sp, #44]
      0x005015a4: 79400250  ldrh w16, [tr] (state_and_flags)
      0x005015a8: 35000190  cbnz w16, #+0x30 (addr 0x5015d8)
      0x005015ac: b9402be0  ldr w0, [sp, #40]
      0x005015b0: b9402fe1  ldr w1, [sp, #44]
      0x005015b4: 1b017c02  mul w2, w0, w1
      0x005015b8: b9000fe2  str w2, [sp, #12]
      0x005015bc: b9400fe0  ldr w0, [sp, #12]
      0x005015c0: 93407c01  sxtw x1, w0
      0x005015c4: f800c3e1  stur x1, [sp, #12]
      0x005015c8: f840c3e0  ldur x0, [sp, #12]
      0x005015cc: f9400ffe  ldr lr, [sp, #24]
      0x005015d0: 910083ff  add sp, sp, #0x20 (32)
      0x005015d4: d65f03c0  ret
      0x005015d8: f9421e5e  ldr lr, [tr, #1080] (pTestSuspend)
      0x005015dc: d63f03c0  blr lr
      suspend point dex PC: 0x0000
      0x005015e0: 17fffff3  b #-0x34 (addr 0x5015ac)

首先，是mul指令：mul w2, w0, w1
另外，還有一條是將32位整數(shù)轉(zhuǎn)成64位的長(zhǎng)整型，請(qǐng)注意，32位的w寄存器之外，64位的x寄存器出來(lái)干活了。
sxtw x1, w0：是將w0中的32位值擴(kuò)展成64位的值，結(jié)果放在x1 64位寄存器中。

基本概念我們先說(shuō)這么多，分支，異常等高級(jí)話題，下面分別討論。
最后我們會(huì)cover到完整的指令集。