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6c27b55b30
@ -1 +1,254 @@
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# 1.7.2 Dalvik 指令集
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- [Dalvik 虚拟机](#dalvik-虚拟机)
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- [Dalvik 指令集](#dalvik-指令集)
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- [指令格式](#指令格式)
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- [寄存器](#寄存器)
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- [类型、方法和字段](#类型方法和字段)
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- [空操作指令](#空操作指令)
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- [数据操作指令](#数据操作指令)
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- [返回指令](#返回指令)
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- [数据定义指令](#数据定义指令)
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- [锁指令](#锁指令)
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- [实例操作指令](#实例操作指令)
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- [数组操作指令](#数组操作指令)
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- [异常指令](#异常指令)
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- [跳转指令](#跳转指令)
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- [比较指令](#比较指令)
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- [字段操作指令](#字段操作指令)
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- [方法调用指令](#方法调用指令)
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- [数据转换指令](#数据转换指令)
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- [数据运算指令](#数据运算指令)
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## Dalvik 虚拟机
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Android 程序运行在 Dalvik 虚拟机中，它与传统的 Java 虚拟机不同，完全基于寄存器架构，数据通过直接通过寄存器传递，大大提高了效率。Dalvik 虚拟机属于 Android 运行时环境，它与一些核心库共同承担 Android 应用程序的运行工作。Dalvik 虚拟机有自己的指令集，即 smali 代码，下面我们详细介绍它们。
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## Dalvik 指令集
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#### 指令格式
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Dalvik 指令语法由指令的**位描述**与指令**格式标识**来决定。
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位描述约定如下：
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- 每 16 位使用空格分隔。
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- 每个字母占 4 位，按照顺序从高字节到低字节排列。
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- 顺序采用 A~Z 的单个大写字母作为一个 4 位的操作码，op 表示一个 8 位的操作码。
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- ”∅“来表示这字段所有位为0值。
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指令格式约定如下：
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- 指令格式标识大多由三个字符组成，前两个是数字，最后一个是字母。
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- 第一个数字表示指令有多少个 16 位的字组成。
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- 第二个数字表示指令最多使用寄存器的个数。
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- 第三个字母为类型码，表示指令用到的额外数据的类型。
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#### 寄存器
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Dalvik 寄存器都是 32 位的，如果是 64 位的数据，则使用相邻的两个寄存器来表示。
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寄存器有两种命名法：v 命名法和 p 命名法。如果一个函数使用到 M 个寄存器，其中有 N 个参数，那么参数会使用最后的 N 个寄存器，而局部变量使用从 v0 开始的前 M-N 个寄存器。在 v 命名法中，不管寄存器中是参数还是局部变量，都以 v 开头。而 p 命名法中，参数命名从 p0 开始，依次递增，在代码比较复杂的时候，使用 p 命名法可以清楚地区分开参数和局部变量，大多数工具使用的也是 p 命名法。
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#### 类型、方法和字段
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Dalvik 字节码只有基本类型和引用类型两种。除了对象类型和数组类型是引用类型外，其余的都是基本类型：
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|语法 | 含义 |
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| --- | --- |
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| V | void |
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| Z | boolean |
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| B | byte |
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| S | short |
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| C | char |
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| I | int |
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| J | long |
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| F | float |
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| D | double |
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| L | 对象类型 |
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| [ | 数组类型 |
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- 对象类型格式是 `L<包名>/<类名>;`，如 String 表示为 `Ljava/lang/String;`。
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- 数组类型格式是 `[` 加上类型，如 `int[]` 表示为 `[I`，`int[][]` 表示为 `[[I`。
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Dalvik 使用方法名、类型参数和返回值来描述一个方法。方法格式如下：
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```
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Lpackage/name/ObjectName;->MethodName(III)Z
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```
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例如把下面的 Java 代码转换成 smali：
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```
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# Java
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String method(int, int [][], int, String, Object[])
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# smali
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.method method(I[[IILjava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;
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.end method
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```
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字段格式如下：
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```
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Lpackage/name/ObjectName;->FieldName:Ljava/lang/String;
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```
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#### 空操作指令
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空操作指令的助记符为 `nop`，值为 00，通常用于对齐代码。
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#### 数据操作指令
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数据操作指令为 `move`，原型为 `move destination, source`。
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- `move vA, vB`：vB -> vA，都是 4 位
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- `move/from16 vAA, vBBBB`：vBBBB -> vAA，源寄存器 16 位，目的寄存器 8 位
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- `move/16 vAAAA, vBBBB`：vBBBB -> vAAAA，都是 16 位
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- `move-wide vA, vB`：4 位的寄存器对赋值，都是 4 位
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- `move-wide/from16vAA, vBBBB`、`move-wide/16 vAAAA, vBBBB`：与 move-wide 相同
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- `move-object vA, vB`：对象赋值，都是 4 位
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||||
- `move-object/from16 vAA, vBBBB`：对象赋值，源寄存器 16 位，目的寄存器 8 位
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||||
- `move-object/16 vAAAA, vBBBB`：对象赋值，都是 16 位
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- `move-result vAA`：将上一个 invoke 类型指令操作的单字非对象结果赋值给 vAA 寄存器
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- `move-result-wide vAA`：将上一个 invoke 类型指令操作的双字非对象结果赋值给 vAA 寄存器
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||||
- `move-result-object vAA`：将上一个 invoke 类型指令操作的对象结果赋值给 vAA 寄存器
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- `move-exception vAA`：保存一个运行时发生的异常到 vAA 寄存器
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#### 返回指令
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基础字节码为 `return`。
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- `return-void`：从一个 void 方法返回
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- `return vAA`：返回一个 32 位非对象类型的值，返回值寄存器位 8 位的寄存器 vAA
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- `return-wide vAA`：返回一个 64 位非对象类型的值，返回值寄存器为 8 位的 vAA
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- `return-object vAA`：返回一个对象类型的值，返回值寄存器为 8 位的 vAA
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#### 数据定义指令
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基础字节码为 `const`。
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- `const/4 vA, #+B`：将数值符号扩展为 32 位后赋值给寄存器 vA
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- `const/16 vAA, #+BBBB`：将数值符号扩展为 32 位后赋值给寄存器 vAA
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- `const vAA, #+BBBBBBBB`：将数值赋值给寄存器 vAA
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- `const/high16 vAA, #+BBBB0000`：将数值右边零扩展为 32 位后赋值给寄存器 vAA
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- `const-wide/16 vAA, #+BBBB`：将数值符号扩展为 64 位后赋值给寄存器 vAA
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||||
- `const-wide/32 vAA, #+BBBBBBBB`：将数值符号扩展为 64 位后赋值给寄存器 vAA
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- `const-wide vAA, #+BBBBBBBBBBBBBBBB`：将数值赋给寄存器对 vAA
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- `const-wide/high16 vAA, #+BBBB000000000000`：将数值右边零扩展为 64 位后赋值给寄存器对 vAA
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- `const-string vAA, string@BBBB`：通过字符串索引构造一个字符串并赋值给寄存器 vAA
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- `const-string/jumbo vAA, string@BBBBBBBB`：通过字符串索（较大）引构造一个字符串并赋值给寄存器 vAA
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- `const-class vAA, type@BBBB`：通过类型索引获取一个类型引用并赋值给寄存器 vAA
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- `const-class/jumbo vAAAA, type@BBBBBBBB`：通过给定的类型索引获取一个类引用并赋值给寄存器 vAAAA。这条指令占用两个字节，值为 0x00ff
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#### 锁指令
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用在多线程程序中对同一对象操作。
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- `monitor-enter vAA`：为指定的对象获取锁
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- `monitor-exit vAA`：释放指定的对象的锁
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#### 实例操作指令
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- `check-cast vAA, type@BBBB`
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- `check-cast/jumbo vAAAA, type@BBBBBBBB`：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，运行始终会失败
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- `instance-of vA, vB, type@CCCC`
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- `instance-of vAAAA, vBBBB, type@CCCCCCCC`：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
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- `new-instance vAA, type@BBBB`
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- `new-instance vAAAA, type@BBBBBBBB `：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
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#### 数组操作指令
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- `array-length vA, vB`：获取vB寄存器中数组的长度并将值赋给vA寄存器。
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- `new-array vA, vB, type@CCCC`
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- `new-array/jumbo vAAAA, vBBBB, type@CCCCCCCC`：构造指定类型（type@CCCCCCCC）与大小（vBBBB）的数组，并将值赋给 vAAAA 寄存器
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- `filled-new-array {vC, vD, vE, vF, vG}, type@BBBB`：构造指定类型（type@BBBB）和大小（vA）的数组并填充数组内容。vA 寄存器是隐含使用的，处理指定数组的大小外还指定了参数的个数，vC~vG 是使用的参数寄存器列表。
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- `filled-new-array/range {vCCCC .. vNNNN}, type@BBBB`：同上，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。
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- `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，在指令后面紧跟一个数据表。
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- `arrayop vAA, vBB, vCC`：对 vBB 寄存器指定的数组元素进行取值和赋值。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 类指令。
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#### 异常指令
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- `throw vAA`：抛出 vAA 寄存器中指定类型的异常
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#### 跳转指令
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有三种跳转指令：无条件跳转（goto）、分支跳转（switch）和条件跳转（if）。
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- `goto +AA`
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- `goto/16 +AAAA`
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- `goto/32 +AAAAAAAA`：无条件跳转到指定偏移处，不能为 0
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- `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
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- `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
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- `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，CCCC 不能为 0。`if-test` 类型的指令有：
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- `if-eq`：if(vA==vB)
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- `if-ne`：if(vA!=vB)
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- `if-lt`：if(vA<vB)
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- `if-ge`：if(vA>=vB)
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- `if-gt`：if(vA>vB)
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- `if-le`：if(vA<=vB)
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- `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 就跳转到 BBBB 指定的偏移处，BBBB 不能为 0。`if-testz` 类型的指令有：
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- `if-eqz`：if(!vAA)
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- `if-nez`：if(vAA)
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- `if-ltz`：if(vAA<0)
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- `if-gez`：if(vAA>=0)
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- `if-gtz`：if(vAA>0)
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- `if-lez`：if(vAA<=0)
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#### 比较指令
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对两个寄存器的值进行比较，格式为 cmpkind vAA, vBB, vCC，其中 vBB 和 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。指令集中共有5条比较指令：
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- `cmpl-float`
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- `cmpl-double`：如果 vBB 寄存器大于 vCC 寄存器，结果为 -1，相等结果为 0，小于结果为 1
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- `cmpg-float`
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- `cmpg-double`：如果 vBB 寄存器大于 vCC 寄存器，结果为 1，相等结果为 0，小于结果为 -1
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- `cmp-long`：如果 vBB 寄存器大于 vCC 寄存器，结果为 1，相等结果为 0，小于结果为 -1
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#### 字段操作指令
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用于对对象实例的字段进行读写操作。对普通字段与静态字段操作有两种指令集，分别是 `iinstanceop vA, vB, field@CCCC` 与 `sstaticop vAA, field@BBBB`。扩展为 `iinstanceop/jumbo vAAAA, vBBBB, field@CCCCCCC` 与 `sstaticop/jumbo vAAAA, field@BBBBBBBB`。
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普通字段指令的指令前缀为 `i`，静态字段的指令前缀为 `s`。字段操作指令后紧跟字段类型的后缀。
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#### 方法调用指令
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用于调用类实例的方法，基础指令为 `invoke`，有 `invoke-kind {vC, vD, vE, vF, vG}, meth@BBBB` 和 `invoke-kind/range {vCCCC .. vNNNN}, meth@BBBB` 两类。扩展为 `invoke-kind/jumbo {vCCCC .. vNNNN}, meth@BBBBBBBB` 这类指令。
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根据方法类型的不同，共有如下五条方法调用指令：
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- `invoke-virtual` 或 `invoke-virtual/range`：调用实例的虚方法
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- `invoke-super` 或 `invoke-super/range`：调用实例的父类方法
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- `invoke-direct` 或 `invoke-direct/range`：调用实例的直接方法
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- `invoke-static` 或 `invoke-static/range`：调用实例的静态方法
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- `invoke-interface` 或 `invoke-interface/range`：调用实例的接口方法
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方法调用的返回值必须使用 `move-result*` 指令来获取，如：
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```
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invoke-static {}, Landroid/os/Parcel;->obtain()Landroid/os/Parcel;
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move-result-object v0
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```
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#### 数据转换指令
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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，转换后结果保存在 vA 寄存器或 vA寄存器对中。
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- 求补
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- `neg-int`
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- `neg-long`
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- `neg-float`
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- `neg-double`
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- 求反
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- `not-int`
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- `not-long`
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- 整型数转换
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- `int-to-long`
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- `int-to-float`
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||||
- `int-to-double`
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- 长整型数转换
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- `long-to-int`
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- `long-to-float`
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- `long-to-double`
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||||
- 单精度浮点数转换
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- `float-to-int`
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- `float-to-long`
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- `float-to-double`
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- 双精度浮点数转换
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- `double-to-int`
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- `double-to-long`
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- `double-to-float`
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||||
- 整型转换
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- `int-to-byte`
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- `int-to-char`
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- `int-to-short`
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#### 数据运算指令
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包括算术运算符与逻辑运算指令。
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数据运算指令有如下四类：
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- `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。以下类似
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- `binop/2addr vA, vB`
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- `binop/lit16 vA, vB, #+CCCC`
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- `binop/lit8 vAA, vBB, #+CC`
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第一类指令可归类为：
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- `add-type`：vBB + vCC
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- `sub-type`：vBB - vCC
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- `mul-type`：vBB * vCC
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- `div-type`：vBB / vCC
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- `rem-type`：vBB % vCC
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- `and-type`：vBB AND vCC
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- `or-type`：vBB OR vCC
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- `xor-type`：vBB XOR vCC
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- `shl-type`：vBB << vCC
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- `shr-type`：vBB >> vCC
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- `ushr-type`：（无符号数）vBB >> vCC
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