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Dalvikバイトコードリファレンスの読み方 改訂版
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- 2. 自己紹介 上での活動 Web上での活動 ･ハンドルネーム : kmt-t ･はてなダイアリ ID : kmt-t2 ･Twitter ID : kmt_t 属性 属性 ･鳥取県から大阪に出稼ぎ中です ･組み込みプログラマらしい ･組み込みプログラマらしい ･ミドルウェアが得意です ･ミドルウェアが得意です →画像処理(2D/3D)、ファイルシステム、仮想マシンが専門です →画像処理(2D/3D)、ファイルシステム、仮想マシンが専門です ･使用言語はC++(not C)/C#/Python ･使用言語はC++(not C)/C#/Python →C++11とかC#の最新の仕様がキャッチアップできていません →C++11とかC#の最新の仕様がキャッチアップできていません
- 3. 発表の構成 仮想マシン3部作 Dalvik仮想マシン 部作 仮想マシン Dalvik仮想マシンの発表を以下の3回にわけて行います 1. Dalvik仮想マシンのアーキテクチャ 2. Dalvikバイトコードのリファレンスの読み方 ←今回はここの発表 バイトコードのリファレンスの読み方 3. DEXファイルフォーマット 発表の目的 仮想マシンのソースコードが誰でも読めるようにする 1. Dalvik仮想マシンのソースコードが誰でも読めるようにする 仮想マシンに対するみんなのリテラシを上げる 2. Dalvik仮想マシンに対するみんなのリテラシを上げる 3. より深い部分の発表をするための下地をつくる
- 4. 本日の発表の概要 バイトコードリファレンスの読み方 Dalvikバイトコードリファレンスの読み方 ･Dalvikバイトコードの命令バイナリフォーマット ･Dalvikバイトコード命令に対応する実装 →リファレンスから実装をトレースできるように リファレンスから実装をトレースできるように リファレンス ･dalvik/docs/dalvik-bytecode.html (概略リファレンス ←注目 概略リファレンス) 概略リファレンス ･dalvik/docs/instruction-formats.html (バイナリフォーマット) ･dalvik/docs/opcodeディレクトリ以下 (セマンティクス) 実装 今回はC言語バージョンの実装を参照 ･dalvik/vm/mterp/out/InterpC-portstd.c
- 5. dalvik/docs/dalvik-bytecode.html を開いてみる 注目点 「Summary of Instruction Set」の章に注目
- 6. 記述されている内容 表の列 注目する章の表には以下の列がある ･Op & Format →命令のオペコードとバイナリフォーマット ･Mnemonic / Syntax →命令のオペランドとそのサイズと並び ･Arguments →オペランド一覧 ･Description →命令の概要
- 7. Op & Format 列の意味 ･「01 12x」とは何か？ →「01」は命令のオペコード (16進数) →「12x」は命令のバイナリフォーマットID ･命令のバイナリフォーマットの詳細 →この命令の場合は命令のバイナリフォーマットIDは「12x」 →dalvik/docs/instruction-formats.htmlの対応する行を参照
- 8. Mnemonic / Syntax 列の意味 ･「move vA, vB」とは何か？ →「move」は命令の名前 →「vA」、「vB」はオペランドにレジスタ番号「A」、「B」を持つことを示す ･レジスタ番号の表記は「vA」、「vAA」、「vAAAA」のバリエーションを持つ →「vA」の場合4bit幅のレジスタ番号(0～15)を持つ →「vAA」の場合8bit幅のレジスタ番号(0～255)を持つ →「vAAAA」の場合16bit幅のレジスタ番号(0～65535)を持つ →レジスタ番号MAX値65535にアクセスできない命令がほとんど
- 9. Arguments 列の意味 ･オペランドとしてレジスタAとレジスタBを持つ ･レジスタAはデストネーションレジスタ (レジスタ番号は4bit幅) ･レジスタAはソースレジスタ(レジスタ番号は4bit幅)
- 10. Description 列の意味 命令の概要 →「オブジェクトではないレジスタの内容を他のレジスタにコピーする」 →命令ごとの覚書が書かれている →命令の挙動はあまり書かれていない場合も多い →詳細はdalvik/docs/opcodeディレクトリ以下参照
- 11. dalvik/docs/instruction- formats.htmlを開いてみる 表の読み方 ID「12x」に対応するFormat「B | A | op」とは何か？ →「op」はオペコード (すべての命令で8bit長) →「A」はオペランドA (Aの数が1個なので4bit長) →「B」はオペランドB (Bの数が1個なので4bit長)
- 12. 命令のバイナリフォーマットの 制限から導き出す 命令のバイナリフォーマットの制限 ･命令は16bitアライメントされている ･最初の16bitの下位8bitは必ずオペコード ･16bit境界の下位ビットからオペランドはアサインされる 以上からmove命令のバイナリフォーマットは以下のようになる レジスタ番号 レジスタ番号 オペコード = 0x01 (8bit) vB (4bit) vA (4bit) 命令長 = 16bit
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- 15. バイトコード命令の実装を読む sparse-switch命令の例 (2) リファレンスの内容 以下のオペランドを持つ ･分岐に使う値を格納したレジスタvAA(8bit幅) ･不明のデータへのオフセット+BBBBBBBB (32bit幅)
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- 18. バイトコード命令の実装を読む sparse-switch命令の例 (5) // dalvik/vm/mterp/out/InterpC-portstd.c //該当部分の実装コードを簡略化すると以下のとおり HANDLE_OPCODE(OP_SPARSE_SWITCH /*vAA, +BBBB*/) { u2 vsrc1 = INST_AA(inst); u4 testVal = GET_REGISTER(vsrc1); s4 offset = FETCH(1) | (((s4) FETCH(2)) << 16); const u2* switchData = pc + offset; offset = dvmInterpHandleSparseSwitch(switchData, testVal); FINISH(offset); } OP_END
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- 20. バイトコード命令の実装を読む invoke-virtual命令の例 (2) 対応する実装 ･dalvik/vm/mterp/out/InterpC-portstd.c ･GOTO_TARGET(invokeVirtual, bool methodCallRange) 処理内容 1. 引数の数を命令から取得 2. メソッドIDを命令から取得 3. メソッド引数のレジスタ番号を命令から取得 4. クラスインスタンスポインタのNULLチェック 5. メソッドIDから基底メソッドの「Method構造体 構造体※1」 を取得 構造体 5.1. クラスIDとメソッドIDの組をキーにキャッシュを取得 5.2. キャッシュミスの場合はDEXファイルを検索して取得 6. 基底メソッドのMethod構造体からメソッドのvtableインデックスを取得
- 21. バイトコード命令の実装を読む invoke-virtual命令の例 (3) 続き) 処理内容 (続き 続き 7. 派生メソッドのMethod構造体をクラスインスタンスのvtableから取得 8. 抽象メソッドの呼び出しでないかチェック 9. 引数レジスタの値をひとつずつ取り出しスタックに積む 10. 新しいフレームポインタを計算 11. 「vm-specific-internal-goop※2」の位置を計算 12. スタックあふれが発生していないかチェック 13. vm-specific-internal-goopにメソッド呼び出し元情報を保存 フレームポインタ※3」を保存 13.1. 呼び出し元の「フレームポインタ フレームポインタ 13.2. 呼び出し元の「プログラムカウンタ プログラムカウンタ※4」を保存 プログラムカウンタ 13.3. 現在のメソッド情報構造体のポインタを保存
- 22. バイトコード命令の実装を読む invoke-virtual命令の例 (4) 続き) 処理内容 (続き 続き 14. (以下ネイティブメソッドでない場合) 15. 「InterpSaveState構造体 構造体※4」の書き換え 構造体 15.1. 実行中のメソッドを呼び出し側に変更 15.2. プログラムカウンタを呼び出し先のものに変更 15.3. フレームポインタを呼び出し先のものに変更
- 23. バイトコード命令の実装を読む invoke-virtual命令の例 (5) 構造体 Method構造体 仮想マシンの実行に必要なメソッドの情報を保存する構造体 struct Method { ClassObject* clazz; // 所属するクラス u4 accessFlags; // アクセス権限フラグ u2 methodIndex; // vtableのインデックス u2 registersSize; // レジスタ数 u2 outsSize; // 出力引数の数 u2 insSize; // バイトコード長 (16bit単位) const char* name; // メソッド名 DexProto prototype; // メソッドの型 const char* shorty; // メソッドの型(文字列形式) const u2* insns; // バイトコードのポインタ // 以下省略 };
- 24. バイトコード命令の実装を読む invoke-virtual命令の例 (6) vm-specific-internal-goop ･メソッド呼び出しごとにスタックに格納される領域 ･メソッドの呼び出しが終了すると解放される ･呼び出し元のメソッドの情報を保存し、呼び出し先から戻るのに必要 ･その他にも例外発生時に、この情報を再帰的にたどる //vm-specific-internal-goopの構造体 struct StackSaveArea { // 呼び出し元のフレームポインタ // 一階層上のvm-specific-internal-goopの取得にも使われる u4* prevFrame; const u2* savedPc; // 呼び出し元のプログラムカウンタ const Method* method; // 呼び出し先メソッド const u2* currentPc; //呼び出し先のプログラムカウンタ };
- 25. バイトコード命令の実装を読む invoke-virtual命令の例 (6) フレームポインタ 現在のメソッドのレジスタ番号0へのポインタ プログラムカウンタ 現在実行中のバイトコード命令へのポインタ
- 26. バイトコード命令の実装を読む invoke-virtual命令の例 (7) 構造体 InterpSaveState構造体 実行中の仮想マシンの状態を保存する構造体 struct InterpSaveState { const u2* pc; // 現在実行中のバイトコード命令のポインタ u4* curFrame; // 現在のフレームポインタ const Method *method; // 現在のメソッド DvmDex* methodClassDex; // 現在のメソッドが格納されているDEXファイル JValue retval; // メソッドの戻り値を格納する領域 void* bailPtr; // インタープリタの開始点に戻るためのポインタ struct InterpSaveState* prev; // To follow nested activations } __attribute__ ((__packed__));
- 27. まとめ まとめ ･バイトコードリファレンスの読み方はパターンがある ･バイトコードリファレンスを起点にして実装を読むと楽である 以上でバイトコードリファレンスが読めるようになり、かなり実装も追える ようになるはず！
- 28. おわり ご清聴ありがとうございました