ART世界探险(4) - 数据传送指令和桶型移位器

ART世界探险(4) - 数据传送指令和桶型移位器

数据传送指令

将数在寄存器之间传递，或者将立即数传给寄存器。所谓的立即数，就是直接写在指令里的数，比如MOV X0,100，这个100就是立即数。立即数会存在指令的参数中。

将立即数传给寄存器:MOV

命令格式：MOV 寄存器, 立即数

AArch64状态下例：

MOV X0,100
MOV W1,200

AArch32状态例：

MOV R2,50

立即数取非送到寄存器:MVN

格式：MVN 寄存器，立即数

MVN X0,1，相当于X0=~1

我们写一个函数取非，看看编译成汇编指令是什么样子的.源代码如下：

long mvn(long value){
    return ~value;
}

反编译之后的代码：

; __int64 __fastcall mvn(__int64)
EXPORT _Z3mvnl
_Z3mvnl
MVN             X0, X0
RET

编译得真棒，就两条指令！

在AArch32下是这样的：

; _DWORD __fastcall mvn(__int32)
EXPORT _Z3mvnl
_Z3mvnl
MVNS            R0, R0
BX              LR

因为long在64位和32位系统上定义不同，所以在AArch64下是64位的，而编成AArch32下变成32位了。

然后我们看看同样的功能用java写出来之后，再通过ART编译之后的结果：

源码：

    public static long mvn(long value){
        return ~value;
    }

java字节码：

  public static long mvn(long);
    Code:
       0: lload_0
       1: ldc2_w        #2                  // long -1l
       4: lxor
       5: lreturn

1. lload_0，从栈里将函数的实参取出来。
2. ldc2_w，从常量池中读出参数-1l.
3. 做异或运算。
4. 返回长整型。

Dalvik字节码：

    DEX CODE:
      0x0000: 1600 ffff                    | const-wide/16 v0, #-1
      0x0002: c220                         | xor-long/2addr v0, v2
      0x0003: 1000                         | return-wide v0

Dalvik指令显示优势了，不用去查常量池了，直接立即数放在const-wide指令中。

OAT代码：

    CODE: (code_offset=0x005027fc size_offset=0x005027f8 size=80)...
      0x005027fc: d1400bf0    sub x16, sp, #0x2000 (8192)
      0x00502800: b940021f    ldr wzr, [x16]
      suspend point dex PC: 0x0000

首先将传进来的参数保存一下，x1是传进来的参数那个value，我们把它暂时存在sp+40位置。因为x1还要计算用。
LR的值也先存一下，函数返回的时候还得用呢。存到sp+24中。

      0x00502804: f81e0fe0    str x0, [sp, #-32]!
      0x00502808: f9000ffe    str lr, [sp, #24]
      0x0050280c: f90017e1    str x1, [sp, #40]

下面这两句是判断当前状态。
cbnz指令是不为0则跳转，跳转到pTestSuspend过程中去。

      0x00502810: 79400250    ldrh w16, [tr](state_and_flags)
      0x00502814: 35000170    cbnz w16, #+0x2c (addr 0x502840)

常量-1，传给x16.
stur，将这个常量-1存到sp+12的内存。
然后再从sp+12x内存把这个常量重新读出来到x0中。
sp+40这个值是我们刚开始进来时将第1个参数保存的地方，大家还记得吧？现在再把它重新装回x1里。

      0x00502818: 92800010    mov x16, #0xffffffffffffffff
      0x0050281c: f800c3f0    stur x16, [sp, #12]
      0x00502820: f840c3e0    ldur x0, [sp, #12]
      0x00502824: f94017e1    ldr x1, [sp, #40]

参数终于凑齐了，可以开始进行异或运算了。
ARM中的异或指令的助记符是EOR: eor x2, x0, x1

      0x00502828: ca010002    eor x2, x0, x1

异或的结果在x2里，把它暂时保存在sp+12中。
然后再从sp+12中把刚才x2那个计算结果放到x0中。因为返回参数要放在x0中。
从sp+24中再把LR的值读回来，恢复一下栈指针，然后就可以返回了。

      0x0050282c: f800c3e2    stur x2, [sp, #12]
      0x00502830: f840c3e0    ldur x0, [sp, #12]
      0x00502834: f9400ffe    ldr lr, [sp, #24]
      0x00502838: 910083ff    add sp, sp, #0x20 (32)
      0x0050283c: d65f03c0    ret

后面这段代码是给前面讲到的cbnz跳转用的。

      0x00502840: f9421e5e    ldr lr, [tr, #1080](pTestSuspend)
      0x00502844: d63f03c0    blr lr
      suspend point dex PC: 0x0000
      0x00502848: 17fffff4    b #-0x30 (addr 0x502818)

庆祝一下，虽然简单，但是我们已经看懂了一段真正OAT编译生成的代码了！

MOV操作SP

MOV指令操作SP或WSP，其实是ADD X1/SP, X2/SP, #0命令的别名。

例如：

MOV X0,SP

实际上是在执行：

ADD X0,SP,#0

MOV操作通用寄存器

这种情况下的MOV操作，实际上是ORR操作的别名。

例如：

MOV X0,X1
MOV W2,W3

分别相当于:

ORR X0,XZR,X1
ORR W2,WZR,W3

桶形移位器

在讲其它计算相关的指类之前，我们先看一个ARM芯片中特有的有趣的东西，叫做桶形移位器。

一般的计算操作，都是在算术逻辑单元ALU中完成的。但是ARM芯片在ALU之外，还有一个桶形的移位器，可以对数据进行移位的预处理，再送入到ALU中进行运算。
请注意，这个额外的移位操作是与ALU运算在同一个指令周期中完成的，桶形移位器的加入，增加了数据处理指令的灵活性。

在AArch64状态下，桶形移位器支持4种操作：

• LSL:逻辑左移
• LSR:逻辑右移
• ASR:算术右移
• ROR:循环右移

在AArch32状态下，还支持第5种操作：

• RRX:扩展的循环右移

LSL逻辑左移

左移最省事，不用管符号，就相当于C语言中的：

unsigned long l_shift(unsigned long x0, unsigned long x1){
    return x0 << x1;
}

我们看看AArch64下反汇编的结果：

; __int64 __fastcall l_shift(unsigned __int64, unsigned __int64)
EXPORT _Z7l_shiftmm
_Z7l_shiftmm
LSL             X0, X0, X1
RET

太完美了！除了RET，就LSL一句话。

再来看看AArch32模式下的：

; _DWORD __fastcall l_shift(unsigned __int32, unsigned __int32)
EXPORT _Z7l_shiftmm
_Z7l_shiftmm
LSLS            R0, R1
BX              LR

LSL后面的S意思是修改标志位的状态，也就是说，比如移出的位是1，将更新C进位标志。

Java中的左移

我们看看对应的java写法，在java字节码，Dalvik字节码和OAT生成的代码中是什么样子吧：
Java字节码：

    Code:
       0: lload_1
       1: lload_3
       2: l2i
       3: lshl
       4: lreturn

lshl左移指令第二个参数需要int型，所以要多做一步l2i的操作。

Dalvik字节码：

  6: long com.yunos.xulun.testcppjni2.TestART.l_shift(long, long) (dex_method_idx=16779)
    DEX CODE:
      0x0000: 8460                         | long-to-int v0, v6
      0x0001: a300 0400                    | shl-long v0, v4, v0
      0x0003: 1000                         | return-wide v0

OAT代码：

前面的压栈备份，和检测是不是suspend状态的cbnz，上例已经讲过了，这里就不再讲了。

    CODE: (code_offset=0x0050295c size_offset=0x00502958 size=92)...
      0x0050295c: d1400bf0    sub x16, sp, #0x2000 (8192)
      0x00502960: b940021f    ldr wzr, [x16]
      suspend point dex PC: 0x0000
      GC map objects:  v3 ([sp + #40])
      0x00502964: f81e0fe0    str x0, [sp, #-32]!
      0x00502968: f9000ffe    str lr, [sp, #24]
      0x0050296c: b9002be1    str w1, [sp, #40]
      0x00502970: f802c3e2    stur x2, [sp, #44]
      0x00502974: f80343e3    stur x3, [sp, #52]
      0x00502978: 79400250    ldrh w16, [tr](state_and_flags)
      0x0050297c: 35000190    cbnz w16, #+0x30 (addr 0x5029ac)

sp+52是第二个长整数参数，读到x0中。
然后调用sbfx，带符号的扩展，取32位，结果放到w1中。这就完成了一次long-to-int的计算。
接着再把w1中的值存到栈里，sp+8中。
把第一个参数从sp+44中读出来，放到x0中。
再把刚存进sp+8中的long-to-int的值重新读回w1中，白折腾两趟，哈哈
终于可以运行lsl了，结果在x2中。
把x2存到sp+8中，再从sp+8折腾到x0，准备返回。

      0x00502980: f84343e0    ldur x0, [sp, #52]
      0x00502984: 13007c01    sbfx w1, w0, #0, #32
      0x00502988: b9000be1    str w1, [sp, #8]
      0x0050298c: f842c3e0    ldur x0, [sp, #44]
      0x00502990: b9400be1    ldr w1, [sp, #8]
      0x00502994: 9ac12002    lsl x2, x0, x1
      0x00502998: f90007e2    str x2, [sp, #8]
      0x0050299c: f94007e0    ldr x0, [sp, #8]
      0x005029a0: f9400ffe    ldr lr, [sp, #24]
      0x005029a4: 910083ff    add sp, sp, #0x20 (32)
      0x005029a8: d65f03c0    ret

后面还是pTestSuspend的调用。

      0x005029ac: f9421e5e    ldr lr, [tr, #1080](pTestSuspend)
      0x005029b0: d63f03c0    blr lr
      suspend point dex PC: 0x0000
      GC map objects:  v3 ([sp + #40])
      0x005029b4: 17fffff3    b #-0x34 (addr 0x502980)

LSR逻辑右移

相当于C语言中的无符号右移，我们用C语言模拟一下：

unsigned long r_shift(unsigned long x0, unsigned long x1){
    return x0 >> x1;
}

我们看看翻译的结果：
AArch64的：

; __int64 __fastcall r_shift(unsigned __int64, unsigned __int64)
EXPORT _Z7r_shiftmm
_Z7r_shiftmm
LSR             X0, X0, X1
RET

果然就被处理成LSR了！

再看AArch32的：

; _DWORD __fastcall r_shift(unsigned __int32, unsigned __int32)
EXPORT _Z7r_shiftmm
_Z7r_shiftmm
LSRS            R0, R1
BX              LR

LSRS，带置位的LSR，非常棒。

ASR算术右移

就是带符号的右移，我们用C模拟一下：

    public static long r_shift(long x0, long x1){
        return x0 >> x1;
    }

不出我们所料，就直接是ASR啊。

; __int64 __fastcall r_shift2(__int64, __int64)
EXPORT _Z8r_shift2ll
_Z8r_shift2ll
ASR             X0, X0, X1
RET

AArch32下，也就是ASRS:

; _DWORD __fastcall r_shift2(__int32, __int32)
EXPORT _Z8r_shift2ll
_Z8r_shift2ll
ASRS            R0, R1
BX              LR

Java中对应的指令是lshr，Dalvik指令shr-long，其它跟左移都一样。

循环右移ROR

这个就不多讲了，将右移出去的值补到左边。

扩展循环右移

就是C作为符号位放到最左边。

传送数据与桶移位同时进行

ARM的魔法开始了，我们可以将一个寄存器中的值左移两位，再送到另一个寄存器中：

MVN X0,X1,LSL #2

只需要一个指令周期哟。

以后我们学习了计算指令如加减之类的，也照样可以使用这个桶形移位器，比如一个数加另一个数乘以2的倍数，只要一条加法就搞定了。

小结

这次探险先到这里，我们学习了桶形移位器，这是个可以在ALU运算前对第二个操作数进行操作的神奇器件。
同时也学习了MOV, MVN和几个可以单独使用的移位指令，以及他们对应的java指令。