进入Android Dalvik虚拟机之Dalvik指令集

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。