Android Dalvik虛拟機之Dalvik指令集-Smali彙編解析

1. 指令特點

Dalvik指定在調用格式上模仿了C語言的調用約定。Dalvik指令的文法與助詞符有如下特點：

• 參數采用從目标（destination）到源（source）的方式。
• 根據位元組碼的大小與類型不同，一些位元組碼添加了名稱字尾以消除岐義。
  • 32位正常類型的位元組碼末添加任何字尾。
  • 64位正常類型的位元組碼添加 -wide字尾。
  • 特殊類型的位元組碼根據具體類型添加字尾。它們可以是 -boolean，-byte，-char，-short，-int，-long，-float，-double，-object，-string，-class，-void之一。
• 根據位元組碼的布局與選項不同，一些位元組碼添加了位元組碼字尾以消除岐義。這些字尾通過在位元組碼主名稱後添加斜杠“/”來分隔開。
• 在指令集的描述中，寬度值中每個字母表示寬度為4位。

例如這條指令：“move-wide/from16 vAA, vBBBB”：

move為基礎位元組碼（base opcode），辨別這是基本操作。wide為名稱字尾（name suffix），辨別指令操作的資料寬度（64位）。from16為位元組碼字尾（opcode suffix），辨別源為一個16位的寄存器引用變量。vAA為目的寄存器，它始終在源的前面，取值範圍為v0~v255。vBBBB為源寄存器，取值範圍為v0~v65535。

Dalvik指令集中大多數指令用到了寄存器作為目的操作數或源操作數，其中 A/B/C/D/E/F/G/H 代表一個4位的數值，可用來表示0～15的數值或v0~v15的寄存器，而 AA/BB/CC/DD/EE/FF/GG/HH 代表一個8位的數值，可用來表示0~255的數值或v0~v255的寄存器，AAAA/BBBB/CCCC/DDDD/EEEE/FFFF/GGGG/HHHH 代表一個16位的數值，可用來表示0～65535的數值或v0~v65535的寄存器。注意：Android官方指令文檔描述寄存器時，對不同取值範圍的寄存器以括号說明其大小，如A:destination register(4 bits)，A:destination register(16 bits)。請注意，Dalvik虛拟機中的每個寄存器都是32位的。描述指令時所說的位數表示的是寄存器數值的取值範圍。

2. 空操作指令

空操作指令的助記符為nop。它的值為00，通常nop指令被用來作對齊代碼之用，無實際操作。

3. 資料操作指令

資料操作指令為move。move指令的原型為“move destination,source”，move指令根據位元組碼的大小與類型不同，後面會跟上不同的字尾。

• “move vA, vB”：将vB寄存器的值賦給vA寄存器，源寄存器與目的寄存器都為4位。
• “move/from16 vAA, vBBBB”：将vBBBB寄存器的值賦給vAA寄存器，源寄存器為16位，目的寄存器為8位。
• “move/16 vAAAA, vBBBB”：将vBBBB寄存器的值賦給vAAAA寄存器，源寄存器與目的寄存器都為16位。
• “move-wide vA, vB”：為4位的寄存器對指派。源寄存器與目的寄存器都為4位。
• “move-wide/from16 vAA, vBBBB”與“move-wide/16 vAAAA, vBBBB”實作與“move-wide”相同。
• “move-object vA, vB”：為對象指派。源寄存器與目的寄存器都為4位。
• “move-object/from16 vAA, vBBBB”：為對象指派。源寄存器為16位，目的寄存器為8位。
• “move-object/16 vAA, vBBBB”：為對象指派。源寄存器與目的寄存器都為16位。
• “move-result vAA”：将上一個invoke類型指令操作的單字非對象結果賦給vAA寄存器。
• “move-result-wide vAA”：将上一個invoke類型指令操作的雙字非對象結果賦給vAA寄存器。
• “move-result-object vAA"：将上一個invoke類型指令操作的對象結果賦給vAA寄存器。
• “move-exception vAA”：儲存一個運作時發生的異常到vAA寄存器，這條指令必須是異常發生時的異常處理器的一條指令。否則的話，指令無效。

4. 傳回指令 

傳回指令指的是函數結尾時運作的最後一條指令。它的基礎位元組碼為teturn，共有以下四條傳回指令：

• "return-void"：表示函數從一個void方法傳回。
• “return vAA”：表示函數傳回一個32位非對象類型的值，傳回值寄存器為8位的寄存器vAA。
• “return-wide vAA”：表示函數傳回一個64位非對象類型的值，傳回值為8位的寄存器對vAA。
• “return-object vAA”：表示函數傳回一個對象類型的值。傳回值為8位的寄存器vAA。

5. 資料定義指令

資料定義指令用來定義程式中用到的常量，字元串，類等資料。它的基礎位元組碼為const。

• “const/4 vA, #+B”：将數值符号擴充為32位後賦給寄存器vA。
• “const/16 vAA, #+BBBB”：将資料符号擴充為32位後賦給寄存器vAA。
• “const vAA, #+BBBBBBBB”：将數值賦給寄存器vAA。
• “const/high16 vAA, #+BBBB0000“：将數值右邊零擴充為32位後賦給寄存器vAA。
• “const-wide/16 vAA, #+BBBB”：将數值符号擴充為64位後賦給寄存器對vAA。
• “const-wide/32 vAA, #+BBBBBBBB”：将數值符号擴充為64位後賦給寄存器對vAA。
• “const-wide vAA, #+BBBBBBBBBBBBBBBB”：将數值賦給寄存器對vAA。
• “const-wide/high16 vAA, #+BBBB000000000000”：将數值右邊零擴充為64位後賦給寄存器對vAA。
• “const-string vAA, [email protected]”：通過字元串索引構造一個字元串并賦給寄存器vAA。
• “const-string/jumbo vAA, [email protected]”：通過字元串索引（較大）構造一個字元串并賦給寄存器vAA。
• “const-class vAA, [email protected]”：通過類型索引擷取一個類引用并賦給寄存器vAA。
• “const-class/jumbo vAAAA, [email protected]”：通過給定的類型索引擷取一個類引用并賦給寄存器vAAAA。這條指令占用兩個位元組，值為0xooff（Android4.0中新增的指令）。

6. 鎖指令 

鎖指令多用在多線程程式中對同一對象的操作。Dalvik指令集中有兩條鎖指令：

• "monitor-enter vAA"：為指定的對象擷取鎖。
• “monitor-exit vAA”：釋放指定的對象的鎖。

7. 執行個體操作指令 

與執行個體相關的操作包括執行個體的類型轉換，檢查及建立等：

• “check-cast vAA, [email protected]”：将vAA寄存器中的對象引用轉換成指定的類型，如果失敗會抛出ClassCastException異常。如果類型B指定的是基本類型，對于非基本類型的A來說，運作時始終會失敗。
• “instance-of vA, vB, [email protected]”：判斷vB寄存器中的對象引用是否可以轉換成指定的類型，如果可以vA寄存器指派為1，否則vA寄存器指派為0。
• “new-instance vAA, [email protected]”：構造一個指定類型對象的新執行個體，并将對象引用指派給vAA寄存器，類型符type指定的類型不能是數組類。
• “check-cast/jumbo vAAAA, [email protected]”：指令功能與“check-cast vAA, [email protected]”相同，隻是寄存器值與指令的索引取值範圍更大（Android4.0中新增的指令）。
• “instance-of/jumbo vAAAA, vBBBB, [email protected]”：指令功能與“instance-of vA, vB, [email protected]”相同，隻是寄存器值與指令的索引取值範圍更大（Android4.0中新增的指令）。
• “new-instance/jumbo vAAAA, [email protected]”：指令功能與“new-instance vAA, [email protected]”相同，隻是寄存器值與指令的索引取值範圍更大（Android4.0中新增的指令）。

8. 數組操作指令

數組操作包括擷取數組長度，建立數組，數組指派，數組元素取值與指派等操作。

• “array-length vA, vB”：擷取給定vB寄存器中數組的長度并将值賦給vA寄存器，數組長度指的是數組的條目個數。
• “new-array vA, vB, [email protected]”：構造指定類型（[email protected]）與大小（vB）的數組，并将值賦給vA寄存器。
• “filled-new-array {vC, vD, vE, vF, vG},[email protected]”構造指定類型（[email protected]）與大小（vA）的數組并填充數組内容。vA寄存器是隐含使用的，除了指定數組的大小外還指定了參數的個數，vC~vG是使用到的參數寄存序列。
• “filled-new-array/range {vCCCC  ..vNNNN}, [email protected]”指令功能與“filled-new-array {vC, vD, vE, vF, vG},[email protected]”相同，隻是參數寄存器使用range位元組碼字尾指定了取值範圍 ，vC是第一個參數寄存器，N = A +C -1。
• "fill-array-data vAA, +BBBBBBBB"用指定的資料來填充數組，vAA寄存器為數組引用，引用必須為基礎類型的數組，在指令後面會緊跟一個資料表。
• "new-array/jumbo vAAAA, vBBBB,[email protected]"指令功能與“new-array vA,vB,[email protected]”相同，隻是寄存器值與指令的索引取值範圍更大（Android4.0中新增的指令）。
• "filled-new-array/jumbo {vCCCC  ..vNNNN},[email protected]"指令功能與“filled-new-array/range {vCCCC  ..vNNNN},[email protected]”相同，隻是索引取值範圍更大（Android4.0中新增的指令）。
• "arrayop vAA, vBB, vCC"對vBB寄存器指定的數組元素進入取值與指派。vCC寄存器指定數組元素索引，vAA寄存器用來存放讀取的或需要設定的數組元素的值。讀取元素使用aget類指令，元素指派使用aput類指定，根據數組中存儲的類型指令後面會緊跟不同的指令字尾，指令清單有 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. 異常指令

Dalvik指令集中有一條指令用來抛出異常。

• “throw vAA”抛出vAA寄存器中指定類型的異常。

10. 跳轉指令

跳轉指令用于從目前位址跳轉到指定的偏移處。Dalvik指令集中有三種跳轉指令：無條件跳轉（goto），分支跳轉（switch）與條件跳轉（if）。

• “goto +AA”：無條件跳轉到指定偏移處，偏移量AA不能為0。
• “goto/16 +AAAA”：無條件跳轉到指定偏移處，偏量AAAA不能為0。
• “goto/32 +AAAAAAAA”：無條件跳轉到指定偏移處。
• “packed-switch vAA, +BBBBBBBB”：分支跳轉指令。vAA寄存器為switch分支中需要判斷的值，BBBBBBBB指向一個packed-switch-payload格式的偏移表，表中的值是有規律遞增的。
• “sparse-switch vAA, +BBBBBBBB”：分支跳轉指令。vAA寄存器為switch分支中需要判斷的值，BBBBBBBB指向一個sparse-switch-payload格式的偏移表，表中的值是無規律的偏移量。
• “if-test vA, vB, +CCCC”：條件跳轉指令。比較vA寄存器與vB寄存器的值，如果比較結果滿足就跳轉到CCCC指定的偏移處。偏移量CCCC不能為0。if-test類型的指令有以下幾條：
  • “if-eq”：如果vA等于vB則跳轉。Java文法表示為“if(vA == vB)”
  • "if-ne"：如果vA不等于vB則跳轉。Java文法表示為“if(vA != vB)”
  • “if-lt”：如果vA小于vB則跳轉。Java文法表示為“if(vA < vB)”
  • “if-ge”：如果vA大于等于vB則跳轉。Java文法表示為“if(vA >= vB)”
  • “if-gt”：如果vA大于vB則跳轉。Java文法表示為“if(vA > vB)”
  • “if-le”：如果vA小于等于vB則跳轉。Java文法表示為“if(vA <= vB)”
• “if-testz vAA, +BBBB”：條件跳轉指令。拿vAA寄存器與0比較，如果比較結果滿足或值為0時就跳轉到BBBB指定的偏移處。偏移量BBBB不能為0。if-testz類型的指令有以下幾條：
  • “if-eqz”：如果vAA為0則跳轉。Java文法表示為“if(vAA == 0)”
  • "if-nez"：如果vAA不為0則跳轉。Java文法表示為“if(vAA != 0)”
  • "if-ltz"：如果vAA小于0則跳轉。Java文法表示為“if(vAA < 0)”
  • “if-gez”：如果vAA大于等于0則跳轉。Java文法表示為“if(vAA >= 0)”
  • “if-gtz”：如果vAA大于0則跳轉。Java文法表示為“if(vAA > 0)”
  • “if-lez”：如果vAA小于等于0則跳轉。Java文法表示為“if(vAA <= 0)”

11. 比較指令 

比較指令用于對兩個寄存器的值（浮點型或長整型）進行比較。它的格式為“cmpkind vAA, vBB, vCC”，其中vBB寄存器與vCC寄存器是需要比較的兩個寄存器或寄存器對，比較的結果放到vAA寄存器。Dalvik指令集中共有5條比較指令：

• “cmpl-float”：比較兩個單精度浮點數。如果vBB寄存器大于vCC寄存器，結果為-1，相等則結果為0，小于的話結果為1
• “cmpg-float”：比較兩個單精度浮點數。如果vBB寄存器大于vCC寄存器，則結果為1，相等則結果為0，小于的話結果為-1
• “cmpl-double”：比較兩個雙精度浮點數。如果vBB寄存器對大于vCC寄存器對，則結果為-1，相等則結果為0，小于則結果為1
• “cmpg-double”：比較兩個雙精度浮點數。如果vBB寄存器對大于vCC寄存器對，則結果為1，相等則結果為0，小于的話，則結果為-1
• “cmp-long”：比較兩個長整型數。如果vBB寄存器大于vCC寄存器，則結果為1，相等則結果為0，小則結果為-1

12. 字段操作指令

字段操作指令用來對對象執行個體的字段進入讀寫操作。字段的類型可以是Java中有效的資料類型。對普通字段與靜态字段操作有兩種指令集，分别是“iinstanceop vA, vB, [email protected]” 與 “sstaticop vAA, [email protected]”。

普通字段指令的指令字首為i，如對普通字段讀操作使用 iget 指令，寫操作使用 iput 指令；靜态字段的指令字首為s，如對靜态字段讀操作使用 sget 指令，寫操作使用 sput 指令。

根據通路的字段類型不同，字段操作指令後面會緊跟字段類型的字尾，如 iget-byte指令表示讀取執行個體字段 的值類型為位元組類型，iput-short指令表示設定執行個體字段的值類型為短整型。兩類指令操作結果都是一樣，隻是指令字首與操作的字段類型不同。

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。

靜态字段操作指令有：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系統中，Dalvik指令集中增加了“iinstanceop/jumbo vAAAA, vBBBB, [email protected]”與"sstaticop/jumbo vAAAA, [email protected]"兩類指令，它們與上面介紹的兩類指令作用相同，隻是在指令中增加了jumbo位元組碼字尾，且寄存器值與指令的索引取值範圍更大。

13. 方法調用指令

方法調用指令負責調用類執行個體的方法。它的基礎指令為 invoke，方法調用指令有“invoke-kind {vC, vD, vE, vF, vG},[email protected]”與“invoke-kind/range {vCCCC  .. vNNNN},[email protected]”兩類，兩類指令在作用上并無不同，隻是後者在設定參數寄存器時使用了range來指定寄存器的範圍。根據方法類型的不同，共有如下五條方法調用指令：

• “invoke-virtual” 或 “invoke-virtual/range”調用執行個體的虛方法。
• “invoke-super”或"invoke-super/range"調用執行個體的父類方法。
• “invoke-direct”或“invoke-direct/range”調用執行個體的直接方法。
• “invoke-static”或“invoke-static/range”調用執行個體的靜态方法。
• “invoke-interface”或“invoke-interface/range”調用執行個體的接口方法。

在Android4.0系統中，Dalvik指令集中增加了“invoke-kind/jumbo {vCCCC  .. vNNNN},[email protected]”這類指令，它與上面介紹的兩類指令作用相同，隻是在指令中增加了jumbo位元組碼字尾，且寄存器值與指令的索引取值範圍更大。

方法調用指令的傳回值必須使用move-result*指令來擷取。如下面兩條指令：

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

14. 資料轉換指令

資料轉換指令用于将一種類型的數值轉換成另一種類型。它的格式為“unop vA, vB”，vB寄存器或vB寄存器對存放需要轉換的資料，轉換後的結果儲存在vA寄存器或vA寄存器對中。

• “neg-int”：對整型數求補。
• “not-int”：對整型數求反。
• “neg-long”：對長整型數求補。
• “not-long”：對長整型數求反。
• “neg-float”：對單精度浮點型數求補。
• “neg-double”：對雙精度浮點型數求補。
• “int-to-long”：将整型數轉換為長整型。
• “int-to-float”：将整型數轉換為單精度浮點型數。
• “int-to-dobule”：将整型數轉換為雙精度浮點數。
• “long-to-int”：将長整型數轉換為整型。
• “long-to-float”：将長整型數轉換為單精度浮點型。
• “long-to-double”：将長整型數轉換為雙精度浮點型。
• “float-to-int”：将單精度浮點數轉換為整型。
• “float-to-long”：将單精度浮點數轉換為長整型數。
• “float-to-double”：将單精度浮點數轉換為雙精度浮點型數。
• “double-to-int”：将雙精度浮點數轉換為整型。
• “double-to-long”：将雙精度浮點數轉換為長整型。
• “double-to-float”：将雙精度浮點數轉換為單精度浮點型。
• “int-to-byte”：将整型轉換為位元組型。
• “int-to-char”：将整型轉換為字元型。
• “int-to-short”：将整型轉換為短整型。

15. 資料運作指令

資料運算指令包括算術運算指令與邏輯運算指令。算術運算指令主要進行數值間如加，減，乘，除，模，移位等運算。邏輯運算指令主要進行數值間與，或，非，抑或等運算。資料運算指令有如下四類（資料運算時可能是在寄存器或寄存器對間進行，下面的指令作用講解時使用寄存器來描述）：

• “binop vAA, vBB, vCC”：将vBB寄存器與vCC寄存器進行運算，結果儲存到vAA寄存器。
• “binop/2addr vA, vB”：将vA寄存器與vB寄存器進行運算，結果儲存到vA寄存器。
• “binop/lit16 vA, vB, #+CCCC”：将vB寄存器與常量 CCCC進行運算，結果儲存到vA寄存器。
• “binop/lit8 vAA, vBB, #+CC”：将vBB寄存器與常量CC進行運算，結果儲存到vAA寄存器。

後面3類指令比第1類指令分别多出了2addr，lit16，lit8等指令字尾。四類指令中基礎位元組碼相同的指令執行的運算操作是類似的，第1類指令中，根據資料的類型不同會在基礎位元組碼後面加上資料類型字尾，如 -int 或 -long 分别表示操作的資料類型為整型與長整型。第1類指令可歸類如下：

• “add-type”：vBB寄存器與vCC寄存器值進行加法運算（vBB + vCC）
• "sub-type"：vBB寄存器與vCC寄存器值進行減法運算（vBB - vCC）
• "mul-type"：vBB寄存器與vCC寄存器值進行乘法運算（vBB * vCC）
• "div-type"：vBB寄存器與vCC寄存器值進行除法運算（vBB / vCC）
• "rem-type"：vBB寄存器與vCC寄存器值進行模運算（vBB % vCC）
• "and-type"：vBB寄存器與vCC寄存器值進行與運算（vBB & vCC）
• "or-type"：vBB寄存器與vCC寄存器值進行或運算（vBB | vCC）
• "xor-type"：vBB寄存器與vCC寄存器值進行異或運算（vBB ^ vCC）
• "shl-type"：vBB寄存器值（有符号數）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（無符号數）右移vCC位（vBB >>> vCC）

其中基礎位元組碼後面的-type可以是-int，-long， -float，-double。後面3類指令與之類似。 

至此，Dalvik虛拟機支援的所有指令就介紹完了。在android4.0系統以前，每個指令的位元組碼隻占用一個位元組，範圍是0x0~0x0ff。在android4.0系統中，又擴充了一部分指令，這些指令被稱為擴充指令，主要是在指令助記符後添加了jumbo字尾，增加了寄存器與常量的取值範圍。

原文：https://my.oschina.net/fhd/blog/365530