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进入Android Dalvik虚拟机之Dalvik指令集

柳哥
 柳哥
发布于 2015/01/09 15:14
字数 4878
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1. 指令特点

Dalvik指定在调用格式上模仿了C语言的调用约定。Dalvik指令的语法与助词符有如下特点:

  • 参数采用从目标(destination)到源(source)的方式。

  • 根据字节码的大小与类型不同,一些字节码添加了名称后缀以消除岐义。

    • 32位常规类型的字节码末添加任何后缀。

    • 64位常规类型的字节码添加 -wide后缀。

    • 特殊类型的字节码根据具体类型添加后缀。它们可以是 -boolean,-byte,-char,-short,-int,-long,-float,-double,-object,-string,-class,-void之一。

  • 根据字节码的布局与选项不同,一些字节码添加了字节码后缀以消除岐义。这些后缀通过在字节码主名称后添加斜杠“/”来分隔开。

  • 在指令集的描述中,宽度值中每个字母表示宽度为4位。

例如这条指令:“move-wide/from16 vAA, vBBBB”:

move为基础字节码(base opcode),标识这是基本操作。wide为名称后缀(name suffix),标识指令操作的数据宽度(64位)。from16为字节码后缀(opcode suffix),标识源为一个16位的寄存器引用变量。vAA为目的寄存器,它始终在源的前面,取值范围为v0~v255。vBBBB为源寄存器,取值范围为v0~v65535。

Dalvik指令集中大多数指令用到了寄存器作为目的操作数或源操作数,其中 A/B/C/D/E/F/G/H 代表一个4位的数值,可用来表示0~15的数值或v0~v15的寄存器,而 AA/BB/CC/DD/EE/FF/GG/HH 代表一个8位的数值,可用来表示0~255的数值或v0~v255的寄存器,AAAA/BBBB/CCCC/DDDD/EEEE/FFFF/GGGG/HHHH 代表一个16位的数值,可用来表示0~65535的数值或v0~v65535的寄存器。注意:Android官方指令文档描述寄存器时,对不同取值范围的寄存器以括号说明其大小,如A:destination register(4 bits),A:destination register(16 bits)。请注意,Dalvik虚拟机中的每个寄存器都是32位的。描述指令时所说的位数表示的是寄存器数值的取值范围。

2. 空操作指令

空操作指令的助记符为nop。它的值为00,通常nop指令被用来作对齐代码之用,无实际操作。

3. 数据操作指令

数据操作指令为move。move指令的原型为“move destination,source”,move指令根据字节码的大小与类型不同,后面会跟上不同的后缀。

  • “move vA, vB”:将vB寄存器的值赋给vA寄存器,源寄存器与目的寄存器都为4位。

  • “move/from16 vAA, vBBBB”:将vBBBB寄存器的值赋给vAA寄存器,源寄存器为16位,目的寄存器为8位。

  • “move/16 vAAAA, vBBBB”:将vBBBB寄存器的值赋给vAAAA寄存器,源寄存器与目的寄存器都为16位。

  • “move-wide vA, vB”:为4位的寄存器对赋值。源寄存器与目的寄存器都为4位。

  • “move-wide/from16 vAA, vBBBB”与“move-wide/16 vAAAA, vBBBB”实现与“move-wide”相同。

  • “move-object vA, vB”:为对象赋值。源寄存器与目的寄存器都为4位。

  • “move-object/from16 vAA, vBBBB”:为对象赋值。源寄存器为16位,目的寄存器为8位。

  • “move-object/16 vAA, vBBBB”:为对象赋值。源寄存器与目的寄存器都为16位。

  • “move-result vAA”:将上一个invoke类型指令操作的单字非对象结果赋给vAA寄存器。

  • “move-result-wide vAA”:将上一个invoke类型指令操作的双字非对象结果赋给vAA寄存器。

  • “move-result-object vAA":将上一个invoke类型指令操作的对象结果赋给vAA寄存器。

  • “move-exception vAA”:保存一个运行时发生的异常到vAA寄存器,这条指令必须是异常发生时的异常处理器的一条指令。否则的话,指令无效。

4. 返回指令

返回指令指的是函数结尾时运行的最后一条指令。它的基础字节码为teturn,共有以下四条返回指令:

  • "return-void":表示函数从一个void方法返回。

  • “return vAA”:表示函数返回一个32位非对象类型的值,返回值寄存器为8位的寄存器vAA。

  • “return-wide vAA”:表示函数返回一个64位非对象类型的值,返回值为8位的寄存器对vAA。

  • “return-object vAA”:表示函数返回一个对象类型的值。返回值为8位的寄存器vAA。

5. 数据定义指令

数据定义指令用来定义程序中用到的常量,字符串,类等数据。它的基础字节码为const。

  • “const/4 vA, #+B”:将数值符号扩展为32位后赋给寄存器vA。

  • “const/16 vAA, #+BBBB”:将数据符号扩展为32位后赋给寄存器vAA。

  • “const vAA, #+BBBBBBBB”:将数值赋给寄存器vAA。

  • “const/high16 vAA, #+BBBB0000“:将数值右边零扩展为32位后赋给寄存器vAA。

  • “const-wide/16 vAA, #+BBBB”:将数值符号扩展为64位后赋给寄存器对vAA。

  • “const-wide/32 vAA, #+BBBBBBBB”:将数值符号扩展为64位后赋给寄存器对vAA。

  • “const-wide vAA, #+BBBBBBBBBBBBBBBB”:将数值赋给寄存器对vAA。

  • “const-wide/high16 vAA, #+BBBB000000000000”:将数值右边零扩展为64位后赋给寄存器对vAA。

  • “const-string vAA, string@BBBB”:通过字符串索引构造一个字符串并赋给寄存器vAA。

  • “const-string/jumbo vAA, string@BBBBBBBB”:通过字符串索引(较大)构造一个字符串并赋给寄存器vAA。

  • “const-class vAA, type@BBBB”:通过类型索引获取一个类引用并赋给寄存器vAA。

  • “const-class/jumbo vAAAA, type@BBBBBBBB”:通过给定的类型索引获取一个类引用并赋给寄存器vAAAA。这条指令占用两个字节,值为0xooff(Android4.0中新增的指令)。

6. 锁指令

锁指令多用在多线程程序中对同一对象的操作。Dalvik指令集中有两条锁指令:

  • "monitor-enter vAA":为指定的对象获取锁。

  • “monitor-exit vAA”:释放指定的对象的锁。

7. 实例操作指令

与实例相关的操作包括实例的类型转换,检查及新建等:

  • “check-cast vAA, type@BBBB”:将vAA寄存器中的对象引用转换成指定的类型,如果失败会抛出ClassCastException异常。如果类型B指定的是基本类型,对于非基本类型的A来说,运行时始终会失败。

  • “instance-of vA, vB, type@CCCC”:判断vB寄存器中的对象引用是否可以转换成指定的类型,如果可以vA寄存器赋值为1,否则vA寄存器赋值为0。

  • “new-instance vAA, type@BBBB”:构造一个指定类型对象的新实例,并将对象引用赋值给vAA寄存器,类型符type指定的类型不能是数组类。

  • “check-cast/jumbo vAAAA, type@BBBBBBBB”:指令功能与“check-cast vAA, type@BBBB”相同,只是寄存器值与指令的索引取值范围更大(Android4.0中新增的指令)。

  • “instance-of/jumbo vAAAA, vBBBB, type@CCCCCCCC”:指令功能与“instance-of vA, vB, type@CCCC”相同,只是寄存器值与指令的索引取值范围更大(Android4.0中新增的指令)。

  • “new-instance/jumbo vAAAA, type@BBBBBBBB”:指令功能与“new-instance vAA, type@BBBB”相同,只是寄存器值与指令的索引取值范围更大(Android4.0中新增的指令)。

8. 数组操作指令

数组操作包括获取数组长度,新建数组,数组赋值,数组元素取值与赋值等操作。

  • “array-length vA, vB”:获取给定vB寄存器中数组的长度并将值赋给vA寄存器,数组长度指的是数组的条目个数。

  • “new-array vA, vB, type@CCCC”:构造指定类型(type@CCCC)与大小(vB)的数组,并将值赋给vA寄存器。

  • “filled-new-array {vC, vD, vE, vF, vG},type@BBBB”构造指定类型(type@BBBB)与大小(vA)的数组并填充数组内容。vA寄存器是隐含使用的,除了指定数组的大小外还指定了参数的个数,vC~vG是使用到的参数寄存序列。

  • “filled-new-array/range {vCCCC  ..vNNNN}, type@BBBB”指令功能与“filled-new-array {vC, vD, vE, vF, vG},type@BBBB”相同,只是参数寄存器使用range字节码后缀指定了取值范围 ,vC是第一个参数寄存器,N = A +C -1。

  • "fill-array-data vAA, +BBBBBBBB"用指定的数据来填充数组,vAA寄存器为数组引用,引用必须为基础类型的数组,在指令后面会紧跟一个数据表。

  • "new-array/jumbo vAAAA, vBBBB,type@CCCCCCCC"指令功能与“new-array vA,vB,type@CCCC”相同,只是寄存器值与指令的索引取值范围更大(Android4.0中新增的指令)。

  • "filled-new-array/jumbo {vCCCC  ..vNNNN},type@BBBBBBBB"指令功能与“filled-new-array/range {vCCCC  ..vNNNN},type@BBBB”相同,只是索引取值范围更大(Android4.0中新增的指令)。

  • "arrayop vAA, vBB, vCC"对vBB寄存器指定的数组元素进入取值与赋值。vCC寄存器指定数组元素索引,vAA寄存器用来存放读取的或需要设置的数组元素的值。读取元素使用aget类指令,元素赋值使用aput类指定,根据数组中存储的类型指令后面会紧跟不同的指令后缀,指令列表有 aget, aget-wide, aget-object, aget-boolean, aget-byte,aget-char, aget-short, aput, aput-wide, aput-object, aput-boolean, aput-byte, aput-char, aput-short。

9. 异常指令

Dalvik指令集中有一条指令用来抛出异常。

  • “throw vAA”抛出vAA寄存器中指定类型的异常。

10. 跳转指令

跳转指令用于从当前地址跳转到指定的偏移处。Dalvik指令集中有三种跳转指令:无条件跳转(goto),分支跳转(switch)与条件跳转(if)。

  • “goto +AA”:无条件跳转到指定偏移处,偏移量AA不能为0。

  • “goto/16 +AAAA”:无条件跳转到指定偏移处,偏量AAAA不能为0。

  • “goto/32 +AAAAAAAA”:无条件跳转到指定偏移处。

  • “packed-switch vAA, +BBBBBBBB”:分支跳转指令。vAA寄存器为switch分支中需要判断的值,BBBBBBBB指向一个packed-switch-payload格式的偏移表,表中的值是有规律递增的。

  • “sparse-switch vAA, +BBBBBBBB”:分支跳转指令。vAA寄存器为switch分支中需要判断的值,BBBBBBBB指向一个sparse-switch-payload格式的偏移表,表中的值是无规律的偏移量。

  • “if-test vA, vB, +CCCC”:条件跳转指令。比较vA寄存器与vB寄存器的值,如果比较结果满足就跳转到CCCC指定的偏移处。偏移量CCCC不能为0。if-test类型的指令有以下几条:

    • “if-eq”:如果vA等于vB则跳转。Java语法表示为“if(vA == vB)”

    • "if-ne":如果vA不等于vB则跳转。Java语法表示为“if(vA != vB)”

    • “if-lt”:如果vA小于vB则跳转。Java语法表示为“if(vA < vB)”

    • “if-ge”:如果vA大于等于vB则跳转。Java语法表示为“if(vA >= vB)”

    • “if-gt”:如果vA大于vB则跳转。Java语法表示为“if(vA > vB)”

    • “if-le”:如果vA小于等于vB则跳转。Java语法表示为“if(vA <= vB)”

  • “if-testz vAA, +BBBB”:条件跳转指令。拿vAA寄存器与0比较,如果比较结果满足或值为0时就跳转到BBBB指定的偏移处。偏移量BBBB不能为0。if-testz类型的指令有以下几条:

    • “if-eqz”:如果vAA为0则跳转。Java语法表示为“if(vAA == 0)”

    • "if-nez":如果vAA不为0则跳转。Java语法表示为“if(vAA != 0)”

    • "if-ltz":如果vAA小于0则跳转。Java语法表示为“if(vAA < 0)”

    • “if-gez”:如果vAA大于等于0则跳转。Java语法表示为“if(vAA >= 0)”

    • “if-gtz”:如果vAA大于0则跳转。Java语法表示为“if(vAA > 0)”

    • “if-lez”:如果vAA小于等于0则跳转。Java语法表示为“if(vAA <= 0)”

11. 比较指令

比较指令用于对两个寄存器的值(浮点型或长整型)进行比较。它的格式为“cmpkind vAA, vBB, vCC”,其中vBB寄存器与vCC寄存器是需要比较的两个寄存器或寄存器对,比较的结果放到vAA寄存器。Dalvik指令集中共有5条比较指令:

  • “cmpl-float”:比较两个单精度浮点数。如果vBB寄存器大于vCC寄存器,结果为-1,相等则结果为0,小于的话结果为1

  • “cmpg-float”:比较两个单精度浮点数。如果vBB寄存器大于vCC寄存器,则结果为1,相等则结果为0,小于的话结果为-1

  • “cmpl-double”:比较两个双精度浮点数。如果vBB寄存器对大于vCC寄存器对,则结果为-1,相等则结果为0,小于则结果为1

  • “cmpg-double”:比较两个双精度浮点数。如果vBB寄存器对大于vCC寄存器对,则结果为1,相等则结果为0,小于的话,则结果为-1

  • “cmp-long”:比较两个长整型数。如果vBB寄存器大于vCC寄存器,则结果为1,相等则结果为0,小则结果为-1

12. 字段操作指令

字段操作指令用来对对象实例的字段进入读写操作。字段的类型可以是Java中有效的数据类型。对普通字段与静态字段操作有两种指令集,分别是“iinstanceop vA, vB, fidld@CCCC” 与 “sstaticop vAA, field@BBBB”。

普通字段指令的指令前缀为i,如对普通字段读操作使用 iget 指令,写操作使用 iput 指令;静态字段的指令前缀为s,如对静态字段读操作使用 sget 指令,写操作使用 sput 指令。

根据访问的字段类型不同,字段操作指令后面会紧跟字段类型的后缀,如 iget-byte指令表示读取实例字段 的值类型为字节类型,iput-short指令表示设置实例字段的值类型为短整型。两类指令操作结果都是一样,只是指令前缀与操作的字段类型不同。

普通字段操作指令有:iget,iget-wide,iget-object,iget-boolean,iget-byte,iget-char,iget-short,iput,iput-wide,iput-object,iput-boolean,iput-byte,iput-char,iput-short。

静态字段操作指令有:sget,sget-wide,sget-object,sget-boolean,sget-byte,sget-char,sget-short,sput,sput-wide,sput-object,sput-boolean,sput-byte,sput-char,sput-short。

在Android4.0系统中,Dalvik指令集中增加了“iinstanceop/jumbo vAAAA, vBBBB, field@CCCCCCCC”与"sstaticop/jumbo vAAAA, field@BBBBBBBB"两类指令,它们与上面介绍的两类指令作用相同,只是在指令中增加了jumbo字节码后缀,且寄存器值与指令的索引取值范围更大。

13. 方法调用指令

方法调用指令负责调用类实例的方法。它的基础指令为 invoke,方法调用指令有“invoke-kind {vC, vD, vE, vF, vG},meth@BBBB”与“invoke-kind/range {vCCCC  .. vNNNN},meth@BBBB”两类,两类指令在作用上并无不同,只是后者在设置参数寄存器时使用了range来指定寄存器的范围。根据方法类型的不同,共有如下五条方法调用指令:

  • “invoke-virtual” 或 “invoke-virtual/range”调用实例的虚方法。

  • “invoke-super”或"invoke-super/range"调用实例的父类方法。

  • “invoke-direct”或“invoke-direct/range”调用实例的直接方法。

  • “invoke-static”或“invoke-static/range”调用实例的静态方法。

  • “invoke-interface”或“invoke-interface/range”调用实例的接口方法。

在Android4.0系统中,Dalvik指令集中增加了“invoke-kind/jumbo {vCCCC  .. vNNNN},meth@BBBBBBBB”这类指令,它与上面介绍的两类指令作用相同,只是在指令中增加了jumbo字节码后缀,且寄存器值与指令的索引取值范围更大。

方法调用指令的返回值必须使用move-result*指令来获取。如下面两条指令:

invoke-static {}, Landroid/os/Parcel;->obtain() Landroid/os/Parcel;
move-result-object v0

14. 数据转换指令

数据转换指令用于将一种类型的数值转换成另一种类型。它的格式为“unop vA, vB”,vB寄存器或vB寄存器对存放需要转换的数据,转换后的结果保存在vA寄存器或vA寄存器对中。

  • “neg-int”:对整型数求补。

  • “not-int”:对整型数求反。

  • “neg-long”:对长整型数求补。

  • “not-long”:对长整型数求反。

  • “neg-float”:对单精度浮点型数求补。

  • “neg-double”:对双精度浮点型数求补。

  • “int-to-long”:将整型数转换为长整型。

  • “int-to-float”:将整型数转换为单精度浮点型数。

  • “int-to-dobule”:将整型数转换为双精度浮点数。

  • “long-to-int”:将长整型数转换为整型。

  • “long-to-float”:将长整型数转换为单精度浮点型。

  • “long-to-double”:将长整型数转换为双精度浮点型。

  • “float-to-int”:将单精度浮点数转换为整型。

  • “float-to-long”:将单精度浮点数转换为长整型数。

  • “float-to-double”:将单精度浮点数转换为双精度浮点型数。

  • “double-to-int”:将双精度浮点数转换为整型。

  • “double-to-long”:将双精度浮点数转换为长整型。

  • “double-to-float”:将双精度浮点数转换为单精度浮点型。

  • “int-to-byte”:将整型转换为字节型。

  • “int-to-char”:将整型转换为字符型。

  • “int-to-short”:将整型转换为短整型。

15. 数据运行指令

数据运算指令包括算术运算指令与逻辑运算指令。算术运算指令主要进行数值间如加,减,乘,除,模,移位等运算。逻辑运算指令主要进行数值间与,或,非,抑或等运算。数据运算指令有如下四类(数据运算时可能是在寄存器或寄存器对间进行,下面的指令作用讲解时使用寄存器来描述):

  • “binop vAA, vBB, vCC”:将vBB寄存器与vCC寄存器进行运算,结果保存到vAA寄存器。

  • “binop/2addr vA, vB”:将vA寄存器与vB寄存器进行运算,结果保存到vA寄存器。

  • “binop/lit16 vA, vB, #+CCCC”:将vB寄存器与常量 CCCC进行运算,结果保存到vA寄存器。

  • “binop/lit8 vAA, vBB, #+CC”:将vBB寄存器与常量CC进行运算,结果保存到vAA寄存器。

后面3类指令比第1类指令分别多出了2addr,lit16,lit8等指令后缀。四类指令中基础字节码相同的指令执行的运算操作是类似的,第1类指令中,根据数据的类型不同会在基础字节码后面加上数据类型后缀,如 -int 或 -long 分别表示操作的数据类型为整型与长整型。第1类指令可归类如下:

  • “add-type”:vBB寄存器与vCC寄存器值进行加法运算(vBB + vCC)

  • "sub-type":vBB寄存器与vCC寄存器值进行减法运算(vBB - vCC)

  • "mul-type":vBB寄存器与vCC寄存器值进行乘法运算(vBB * vCC)

  • "div-type":vBB寄存器与vCC寄存器值进行除法运算(vBB / vCC)

  • "rem-type":vBB寄存器与vCC寄存器值进行模运算(vBB % vCC)

  • "and-type":vBB寄存器与vCC寄存器值进行与运算(vBB & vCC)

  • "or-type":vBB寄存器与vCC寄存器值进行或运算(vBB | vCC)

  • "xor-type":vBB寄存器与vCC寄存器值进行异或运算(vBB ^ vCC)

  • "shl-type":vBB寄存器值(有符号数)左移vCC位(vBB << vCC )

  • "shr-type":vBB寄存器值(有符号)右移vCC位(vBB >> vCC)

  • "ushr-type":vBB寄存器值(无符号数)右移vCC位(vBB >>> vCC)

其中基础字节码后面的-type可以是-int,-long, -float,-double。后面3类指令与之类似。

至此,Dalvik虚拟机支持的所有指令就介绍完了。在android4.0系统以前,每个指令的字节码只占用一个字节,范围是0x0~0x0ff。在android4.0系统中,又扩充了一部分指令,这些指令被称为扩展指令,主要是在指令助记符后添加了jumbo后缀,增加了寄存器与常量的取值范围。

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张古水
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