Android开发——Dalvik寄存器指令集学习

Android开发——Dalvik寄存器指令集学习，目前 DEX 可执行文件主流的反汇编工具有 BakSmali 与 Dedexer，本篇文章 Dalvik 指令的语法都采用的 Smali 语法格式。

了解 Dalvik 寄存器

Dalvik 虚拟机基于寄存器架构，作用与特定的 CPU 上运行，设计之初采用了 ARM 架构，ARM 架构的 CPU 本身集成了多个寄存器，Dalvik 将部分寄存器映射到了 ARM 寄存器上，还有一部分则通过调用栈进行模拟，Dalvik 中用到的寄存器都是 32 位的，支持任何类型，64 位类型用 2 个相邻的寄存器表示。

Dalvik 寄存器的取值返回：v0 ~ v65535，从语法 “op vAAAA , vBBBB” 可以看出，每个大写字母是 4 位，所以就是 2 的 16 次方减 1。

v 命名法与 p 命名法

假设一个函数使用到了 M 个寄存器， 并且该函数有 N 个参数，根据 Dalvik 虚拟机参数传递方式中的规定：参数使用最后 N 个寄存器，局部变量使用 v0 开始的前 M-N 个寄存器。

Dalvik 字节码的类型、方法、字段的表示方式

类型

Dalvik 字节码只有两种类型，基本类型与引用类型，Dalvik 使用这两种类型来表示 Java 语言的 全部类型，除了对象和数组属于引用类型，其他 Java 类型都是基本类型。

Dalvik 字节码类型描述符：

L 类型可以表示 java class 类型中的任何类型，这些类在 Java 代码中以 package.name.ObjectName 方式引用。
在 Dalvik 汇编代码中， 它们以 Lpackage/name/ObjectName; 形式表示，注意最后有个分号，L 表示后面跟着一个 Java 类， package/name/ 表示对象所在的包，ObjectName 表示对象的名称，最后分号表示对象名结束。
例：Ljava/lang/String; 表示 java.lang.String。

[ 类型可以表示所有的基本类型数组。[ 后面紧跟基本类型描述符，如 [I 表示一个整型一维数组，相当于 int[]。[[I 表示 int[][]，多维数组的维数最大为 255。

L 与 [ 可是同时使用用来表示对象数组。如 [Ljava/lang/String; 就表示 Java 中的 String[]。

方法

Dalvik 使用 方法名、类型参数、返回值 来详细描述一个方法。
格式如下：

Lpackage/name/ObjectName;->MethodName(III)Z

Lpackage/name/ObjectName;：类型
MethodName：方法名
(III)：方法的参数，这里是三个 int 类型
Z：返回类型，这里是 boolean 类型

再看个栗子：

method (I[[IILjava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;

对应的 java 代码如下：

String method(int.int[][],int,String,Object[])

BakSmali 生成的方法代码以 .method 指令开始，以 .end method 指令结束，根据方法类型的不同，在方法指令开始前可能会用 “#” 加以注释，如 “# virtual methods” 表示虚方法，“# direct methods” 表示直接方法。

字段

Lpackage/name/ObjectName;->FieldName:Ljava/lang/String;

对应的 java 代码是

String FieldName

BakSmali 生成的字段代码以 .field 指令开头，在字段指令的开始可能会用 “#” 号加以注释，如 “# instance fields” 表示实例字段，“# static fields” 表示静态字段。

Dalvik 指令集

指令特点

举个栗子：

move-wide/from16 vAA,vBBBB

move：基础字节码（base opcode）。标识这是基本操作。
wide：名称后缀（name suffix）。标识指令操作的数据宽度（64 位）。
from16：字节码后缀（opcode suffix）。标识源为一个 16 位的寄存器引用变量。
vAA：目的寄存器。范围 v0 ~ v255。
vBBBB：源寄存器。范围 v0 ~ v65535。

空操作指令

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

数据操作指令

返回指令

返回指令是函数结尾时运行的最后一条指令。

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。

锁指令

锁指令多用在多线程中对同一对象的操作，Dalvik 提供了两条锁指令。

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。

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。

异常指令

Dalvik 指令集中有一条指令用来抛出异常。

跳转指令

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

比较指令

比较指令用于对两个寄存器的值（浮点型或者长整型）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两个寄存器对，比较的结果放到 vAA 寄存器。

字段操作指令

字段操作指令用来对 对象实例 的字段进行读写操作，字段的类型可以是 java 中有效的数据类型。对普通字段和静态字段操作有两种指令集。

普通字段

iinstanceop vA,vB,field@CCCC

普通字段指令前缀为 i，对普通字段进行读操作使用 iget 指令，写操作使用 iput 指令

静态字段

sstaticop vAA,field@BBBB

静态字段指令前缀为 s，对静态字段进行读操作使用 sget 指令，写操作使用 sput 指令

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” 和 “invoke-kind/range{vCCCC .. vNNNN},meth@BBBB” 两类，后者只是在设置参数寄存器时使用了 range 来指定寄存器的范围。

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

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。

数据运算指令

数据运算指令包括算数运算指令和逻辑运算指令。
算数运算：加、减、乘、除、模、移位。
逻辑运算：与、或、非、异或

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）：

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的运算操作是类似的，第一类指令中，根据数据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和长整型。
第一类指令可归类如下：

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。

每个指令的字节码值占用一个字节，范围是 0x0 ~ 0x0ff 。

在 android 4.0 中，增加了一部分扩展指令，主要是在指令助记符后添加了 jumbo 后缀，增加了寄存器和常量的取值范围。