ART世界探险(2) - 从java byte code说起
Dalvik时代，如果不做JIT的话，只需要了解java字节码和Dalivk的字节码就够了。但是，到了ART时代，我们可能还要至少学习两种新东西：一个是编译后端的IR中间代码。比如，我们假如使用LLVM做为编译后端的话，需要做从dex到LLVM IR的转换工作。这个IR可能还不只一层，比如分中层的MIR和底层的LIR。
最后，我们还得了解机器指令。仅就ARM来说，现在是64位时代了，我们需要了解的就是AArch64和AArch32两种状态下的A64,A32,Thumb2和Thumb四种指令集，还有NEON指令扩展等。
Java字节码指令集一览
我们先看一下Android提供的Java指令集简表，在这个网址可以看到：http://androidxref.com/6.0.1_r10/xref/dalvik/docs/java-bytecode.html
一共200条指令。不过大家千万别被这么多指令吓到啊，相对来说绝大部分指令还是非常简单的。我们用一讲的时间就可以讲个大概，细节将来遇到再说。倒是后面我们讲ARM指令的时候篇幅搞不好要长一点。
| 字节码 | 10进制值（相当于序号） | 助记符 |
|---|---|---|
| 0x00 | 0 | nop |
| 0x01 | 1 | aconst_null |
| 0x02 | 2 | iconst_m1 |
| 0x03 | 3 | iconst_0 |
| 0x04 | 4 | iconst_1 |
| 0x05 | 5 | iconst_2 |
| 0x06 | 6 | iconst_3 |
| 0x07 | 7 | iconst_4 |
| 0x08 | 8 | iconst_5 |
| 0x09 | 9 | lconst_0 |
| 0x0a | 10 | lconst_1 |
| 0x0b | 11 | fconst_0 |
| 0x0c | 12 | fconst_1 |
| 0x0d | 13 | fconst_2 |
| 0x0e | 14 | dconst_0 |
| 0x0f | 15 | dconst_1 |
| 0x10 | 16 | bipush |
| 0x11 | 17 | sipush |
| 0x12 | 18 | ldc |
| 0x13 | 19 | ldc_w |
| 0x14 | 20 | ldc2_w |
| 0x15 | 21 | iload |
| 0x16 | 22 | lload |
| 0x17 | 23 | fload |
| 0x18 | 24 | dload |
| 0x19 | 25 | aload |
| 0x1a | 26 | iload_0 |
| 0x1b | 27 | iload_1 |
| 0x1c | 28 | iload_2 |
| 0x1d | 29 | iload_3 |
| 0x1e | 30 | lload_0 |
| 0x1f | 31 | lload_1 |
| 0x20 | 32 | lload_2 |
| 0x21 | 33 | lload_3 |
| 0x22 | 34 | fload_0 |
| 0x23 | 35 | fload_1 |
| 0x24 | 36 | fload_2 |
| 0x25 | 37 | fload_3 |
| 0x26 | 38 | dload_0 |
| 0x27 | 39 | dload_1 |
| 0x28 | 40 | dload_2 |
| 0x29 | 41 | dload_3 |
| 0x2a | 42 | aload_0 |
| 0x2b | 43 | aload_1 |
| 0x2c | 44 | aload_2 |
| 0x2d | 45 | aload_3 |
| 0x2e | 46 | iaload |
| 0x2f | 47 | laload |
| 0x30 | 48 | faload |
| 0x31 | 49 | daload |
| 0x32 | 50 | aaload |
| 0x33 | 51 | baload |
| 0x34 | 52 | caload |
| 0x35 | 53 | saload |
| 0x36 | 54 | istore |
| 0x37 | 55 | lstore |
| 0x38 | 56 | fstore |
| 0x39 | 57 | dstore |
| 0x3a | 58 | astore |
| 0x3b | 59 | istore_0 |
| 0x3c | 60 | istore_1 |
| 0x3d | 61 | istore_2 |
| 0x3e | 62 | istore_3 |
| 0x3f | 63 | lstore_0 |
| 0x40 | 64 | lstore_1 |
| 0x41 | 65 | lstore_2 |
| 0x42 | 66 | lstore_3 |
| 0x43 | 67 | fstore_0 |
| 0x44 | 68 | fstore_1 |
| 0x45 | 69 | fstore_2 |
| 0x46 | 70 | fstore_3 |
| 0x47 | 71 | dstore_0 |
| 0x48 | 72 | dstore_1 |
| 0x49 | 73 | dstore_2 |
| 0x4a | 74 | dstore_3 |
| 0x4b | 75 | astore_0 |
| 0x4c | 76 | astore_1 |
| 0x4d | 77 | astore_2 |
| 0x4e | 78 | astore_3 |
| 0x4f | 79 | iastore |
| 0x50 | 80 | lastore |
| 0x51 | 81 | fastore |
| 0x52 | 82 | dastore |
| 0x53 | 83 | aastore |
| 0x54 | 84 | bastore |
| 0x55 | 85 | castore |
| 0x56 | 86 | sastore |
| 0x57 | 87 | pop |
| 0x58 | 88 | pop2 |
| 0x59 | 89 | dup |
| 0x5a | 90 | dup_x1 |
| 0x5b | 91 | dup_x2 |
| 0x5c | 92 | dup2 |
| 0x5d | 93 | dup2_x1 |
| 0x5e | 94 | dup2_x2 |
| 0x5f | 95 | swap |
| 0x60 | 96 | iadd |
| 0x61 | 97 | ladd |
| 0x62 | 98 | fadd |
| 0x63 | 99 | dadd |
| 0x64 | 100 | isub |
| 0x65 | 101 | lsub |
| 0x66 | 102 | fsub |
| 0x67 | 103 | dsub |
| 0x68 | 104 | imul |
| 0x69 | 105 | lmul |
| 0x6a | 106 | fmul |
| 0x6b | 107 | dmul |
| 0x6c | 108 | idiv |
| 0x6d | 109 | ldiv |
| 0x6e | 110 | fdiv |
| 0x6f | 111 | ddiv |
| 0x70 | 112 | irem |
| 0x71 | 113 | lrem |
| 0x72 | 114 | frem |
| 0x73 | 115 | drem |
| 0x74 | 116 | ineg |
| 0x75 | 117 | lneg |
| 0x76 | 118 | fneg |
| 0x77 | 119 | dneg |
| 0x78 | 120 | ishl |
| 0x79 | 121 | lshl |
| 0x7a | 122 | ishr |
| 0x7b | 123 | lshr |
| 0x7c | 124 | iushr |
| 0x7d | 125 | lushr |
| 0x7e | 126 | iand |
| 0x7f | 127 | land |
| 0x80 | 128 | ior |
| 0x81 | 129 ｜lor | |
| 0x82 | 130 | ixor |
| 0x83 | 131 | lxor |
| 0x84 | 132 | iinc |
| 0x85 | 133 | i2l |
| 0x86 | 134 | i2f |
| 0x87 | 135 | i2d |
| 0x88 | 136 | l2i |
| 0x89 | 137 | l2f |
| 0x8a | 138 | l2d |
| 0x8b | 139 | f2i |
| 0x8c | 140 | f2l |
| 0x8d | 141 | f2d |
| 0x8e | 142 | d2i |
| 0x8f | 143 | d2l |
| 0x90 | 144 | d2f |
| 0x91 | 145 | i2b |
| 0x92 | 146 | i2c |
| 0x93 | 147 | i2s |
| 0x94 | 148 | lcmp |
| 0x95 | 149 | fcmpl |
| 0x96 | 150 | fcmpg |
| 0x97 | 151 | dcmpl |
| 0x98 | 152 | dcmpg |
| 0x99 | 153 | ifeq |
| 0x9a | 154 | ifne |
| 0x9b | 155 | iflt |
| 0x9c | 156 | ifge |
| 0x9d | 157 | ifgt |
| 0x9e | 158 | ifle |
| 0x9f | 159 | if_icmpeq |
| 0xa0 | 160 | if_icmpne |
| 0xa1 | 161 | if_icmplt |
| 0xa2 | 162 | if_icmpge |
| 0xa3 | 163 | if_icmpgt |
| 0xa4 | 164 | if_icmple |
| 0xa5 | 165 | if_acmpeq |
| 0xa6 | 166 | if_acmpne |
| 0xa7 | 167 | goto |
| 0xa8 | 168 | jsr |
| 0xa9 | 169 | ret |
| 0xaa | 170 | tableswitch |
| 0xab | 171 | lookupswitch |
| 0xac | 172 | ireturn |
| 0xad | 173 | lreturn |
| 0xae | 174 | freturn |
| 0xaf | 175 | dreturn |
| 0xb0 | 176 | areturn |
| 0xb1 | 177 | return |
| 0xb2 | 178 | getstatic |
| 0xb3 | 179 | putstatic |
| 0xb4 | 180 | getfield |
| 0xb5 | 181 | putfield |
| 0xb6 | 182 | invokevirtual |
| 0xb7 | 183 | invokespecial |
| 0xb8 | 184 | invokestatic |
| 0xb9 | 185 | invokeinterface |
| 0xba | 186 | (unused) |
| 0xbb | 187 | new |
| 0xbc | 188 | newarray |
| 0xbd | 189 | anewarray |
| 0xbe | 190 | arraylength |
| 0xbf | 191 | athrow |
| 0xc0 | 192 | checkcast |
| 0xc1 | 193 | instanceof |
| 0xc2 | 194 | monitorenter |
| 0xc3 | 195 | monitorexit |
| 0xc4 | 196 | wide |
| 0xc5 | 197 | multianewarray |
| 0xc6 | 198 | ifnull |
| 0xc7 | 199 | ifnonnull |
| 0xc8 | 200 | goto_w |
| 0xc9 | 201 | jsr_w |
反汇编，学指令
如果一个一个指令地讲下来，估计大家都睡着了。所以我们都过反汇编我们写的代码的方式来学习，学得差不多了，我们再把指令串一下。一切以实用为先，我们尝试一下吧。
首先我们还是以上一讲的empty3例子说起。
我们首先用javap工具反汇编一下BuildConfig那个类：
javap -c com.yunos.system.empty3.BuildConfig
反汇编出来的代码如下：
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."":()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构造方法
我们先看BuildConfig构造这段：
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V
4: return
第一条是aload_
这条指令的含义是：从局部变量中，取第n个的值。取第0个就是aload_0，第1个是aload_1。
如果取第4个怎么办？这时候一个字节的指令不够用了，另有一个aload指令，后面接一个字节提供数字。
相当于，aload_0是aload 0指令的简写，但是aload 0占两个字节，而aload_0占一个字节。
第二条指令是invokespecial，调用对象实例的方法，尤其是调用super方法，私有方法和构造方法。因为这里是要调用父类的初始化方法，所以正好该是invokespecial.
第三条是return，不带值返回。
一共就这3条指令，还是挺好理解的吧？
BuildConfig的静态部分
学习了3条指令的，我们再学一个4条指令的：
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
第一条，ldc，从常量池中将常量读出来压入栈中。JVM是基于栈的，操作数都是从栈上取，结果也压到栈里面去。
第二条，invokestatic，这是我们学到的第二条invoke类指令了，上一条是invokespecial，这个顾名思义，就是调用静态方法专用的指令。
第三条，putstatic，将栈中的值，放到静态域中。
第四条，return，无数据返回。
流程很简单，先从常量池将true读出来放到栈里，然后调用Boolean.parseBoolean，参数就是刚才放入栈的true字符串，解析好之后的值又入栈。接着，putstatic从栈里读取这个boolean的值，写到DEBUG这个域中。最后返回。
class的基本结构
因为是入门文章，暂时我们先不讲class文件各模块的细节，只是先有个感性认识：
- 常量池：class中有常量池，有很多指令是操作常量池的。将常量池中的值读出来放到栈中。
- 方法：class文件中，方法是有专门存储模块的，invoke集指令去调用的时候，从中去查找。
- 域：不管是静态域还是对象实例中的普通域，我们有很多指令是用来操作它们的。
- 栈：JVM最重要的结构就是这个栈，大部分的操作都是通过这个栈来操作。后面学习Dalvik指令的时候我们会看到，比起JVM中基本都是栈操作的这种指令，Dalvik大量使用了寄存器。
运算指令
下面我们再看另一大类的指令，运算相关的指令。
我们还是老办法，先写个例子，然后再反汇编，看它背后的故事。我们先写个最简单的加法运算：
package com.yunos.xulun.testcppjni2;
public class TestART {
public static int add(int a, int b){
return a+b;
}
}
反汇编之后是这样的：
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."":()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
}
默认生成的构造方法，以后我们就略过不提了。
这个加法运算，一共4条指令：
- iload_0，从栈顶第0个位置取一个整数
- iload_1，从栈顶第1个位置取一个整数
- iadd，将这两个整数相加
- ireturn，返回一个整数。
运算指令多，是因为指令级没办法做泛型，针对每种类型数据都得做一条指令，所以，加法这一个操作，就得4条指令，分别对应整型，长整型，单精度，双精度：
| 指令码 | 序号 | 助记符 |
|---|---|---|
| 0x60 | 96 | iadd |
| 0x61 | 97 | ladd |
| 0x62 | 98 | fadd |
| 0x63 | 99 | dadd |
指令中，第一个字符为i的对应整型，l是长整型，f是单精度，d是双精度。
当然不光加法是这样，减法，乘法，除法也是一样。从栈上读数，转化成什么类型，也是4种类型都要支持。
类型转换
那么一个问题来了，既然只有4种类型的计算指令，其它类型怎么办？
JVM提供了一堆类型转换的指令来满足这个需求。
有一些类型直接连转换都省了，比如short和byte，在JVM里，就是当int来处理。
我们做个试验：
public static int sub(int a, short b){
return a-b;
}
反汇编了之后发现，一个int跟short，或者是两个short相减，跟两个int做减法就没有区别：
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，不是数组的话，short跟byte也是int。
为什么？因为栈就是以int为单位的啊！寄存器的还值得拆成两个用，栈真就不需要了。
我们再看一个带类型转换的：
public static long mul(int a, byte b){
return a*b;
}
反汇编之后，出现一条将整型转成长整型的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
因为返回值也是长整型了，所以返回指令变成lreturn了。
趁热打铁，我们强势切入Dalvik指令
对JVM指令有了初步的理解之后，我们绝不沾沾自喜，迅速看看Dalvik指令是什么样子的。
先从记忆中把BuildConfig那段翻出来，JVM是这样的：
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V
4: return
我们看看，转成Dalvik是什么样的：
00052c: |[00052c] com.yunos.system.empty3.BuildConfig.:()V
00053c: 7010 1100 0000 |0000: invoke-direct {v0}, Ljava/lang/Object;.:()V // method@0011
000542: 0e00 |0003: return-void
看完了之后有没有会心一笑？invokespecial指令换了个名，叫invoke-direct，带一个v0寄存器的参数，所以aload_0省了。
return换了个更贴切的名字：return-void。我们前面学过了ireturn,lreturn，这个不带值的return，确实叫return-void很合适。
再对比另一段：
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
对应过来是：
000508: |[000508] com.yunos.system.empty3.BuildConfig.:()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变成了const-string，就是换个名，多个v0寄存器。invokestatic多了个"-"，也是多了个寄存器参数。
因为invoke-static返回的值是在栈里，所以需要一条额外的move-result指令将栈顶值放入寄存器。
putstatic变成了sput，加上类型，变成sput-boolean。
最后return-void.
好，我们再看下，加，减，乘的那几个：
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变成了add-int指令，带有三个寄存器参数，v1和v2是两个加数，和放在v0中。
ireturn变成return v0
减法以此类推：
0f47ac: |[0f47ac] com.yunos.xulun.testcppjni2.TestART.sub:(IS)I
0f47bc: 9100 0102 |0000: sub-int v0, v1, v2
0f47c0: 0f00 |0002: return v0
乘法的增加一条类型转换：
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换了个马甲叫int-to-long。
lreturn变成了return-wide。
最后收尾，ARM指令
我们最后看下几个计算函数生成的机器代码吧：
add的机器代码
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)
核心就这一条add w2, w0, w1，其余都是折腾栈和寄存器。指令用的是w[n]而不是x[n]，进行的是32位的加法。
减法
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)
除了加法换成了减法：sub w2, w0, w1，其余基本一样啊。
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，还有一条是将32位整数转成64位的长整型，请注意，32位的w寄存器之外，64位的x寄存器出来干活了。
sxtw x1, w0：是将w0中的32位值扩展成64位的值，结果放在x1 64位寄存器中。
基本概念我们先说这么多，分支，异常等高级话题，下面分别讨论。
最后我们会cover到完整的指令集。