【JVM】模板解释器--如何根据字节码生成汇编码？

1、背景

仅针对JVM的模板解释器：

如何根据opcode和寻址模式，将bytecode生成汇编码。

本文的示例中所使用的字节码和汇编码，请参见上篇博文：按值传递还是按引用？

2、寻址模式

本文不打算深入展开寻址模式的阐述，我们聚焦Intel的IA32-64架构的指令格式：

简要说明下，更多的请参考intel的手册：

– Prefixes ： 用于修饰操作码Opcode，赋予其lock、repeat等的语义.
– REX Prefix：
—- Specify GPRs and SSE registers.
—- Specify 64-bit operand size.
—- Specify extended control registers.
–Opcode：操作码,如mov、push.
–Mod R/M：寻址相关，具体见手册。
–SIB：和Mod R/M结合起来指定寻址。
–Displacement：配合Mod R/M和SIB指定寻址。
–Immediate：立即数。

对上面的Opcode、Mod R/W、SIB、disp、imm如果不明白，看句汇编有个概念：

%mov %eax , %rax,-0x18(%rcx,%rbx,4)

如果这句汇编也不太明白，那么配合下面的：

– Base + (Index ∗ Scale) + Displacement – Using all the addressing components together allows efficient
indexing of a two-dimensional array when the elements of the array are 2, 4, or 8 bytes in size.

3、合法的值（64位）

关注下这4个参数的合法取值：

• Displacement — An 8-bit, 16-bit, or 32-bit value.
• Base — The value in a 64-bit general-purpose register.
• Index — The value in a 64-bit general-purpose register.
• Scale factor — A value of 2, 4, or 8 that is multiplied by the index value.

4、Mod R/M（32位寻址）

我们在后文将会用到Mod R/M字节，所以将32位寻址的格式贴在这里：

上表的备注，其中第1条将在我们的示例中用到，所以这里留意下：

1. The [–][–] nomenclature means a SIB follows the ModR/M byte.
2. The disp32 nomenclature denotes a 32-bit displacement that follows the ModR/M byte (or the SIB byte if one is present) and that is
   added to the index.
3. The disp8 nomenclature denotes an 8-bit

5、SIB（32位寻址）

同样，因为用到了Mod R/M字节，那么SIB字节也可能要用到：

6、示例

6.1、准备工作

有了上面的基础，来看个实际的例子。

下面的代码是生成mov汇编码：

void Assembler::movl(Address dst, Register src) {
  InstructionMark im(this);
  prefix(dst, src);
  emit_int8((unsigned char)0x89);
  emit_operand(src, dst);
}

prefix(dst,src)就是处理prefix和REX prefix，这里我们不关注。

emit_int8((unsigned char) 0x89)故名思意就是生成了一个字节，那字节的内容0x89代码什么呢？

先不急，还有一句emit_operand(src,dst)，这是一段很长的代码，我们大概看下：

void Assembler::emit_operand(Register reg, Register base, Register index,
                 Address::ScaleFactor scale, int disp,
                 RelocationHolder const& rspec,
                 int rip_relative_correction) {
  relocInfo::relocType rtype = (relocInfo::relocType) rspec.type();

  // Encode the registers as needed in the fields they are used in

  int regenc = encode(reg) <<3;
  int indexenc = index->is_valid() ? encode(index) <<3 : 0;
  int baseenc = base->is_valid() ? encode(base) : 0;

  if (base->is_valid()) {
    if (index->is_valid()) {
      assert(scale != Address::no_scale, "inconsistent address");
      // [base + index*scale + disp]
      if (disp == 0 && rtype == relocInfo::none  &&
          base != rbp LP64_ONLY(&& base != r13)) {
        // [base + index*scale]
        // [00 reg 100][ss index base]

        /**************************
 * 关键点：关注这里
 **************************/

        assert(index != rsp, "illegal addressing mode");
        emit_int8(0x04 | regenc);
        emit_int8(scale <<6 | indexenc | baseenc);
      } else if (is8bit(disp) && rtype == relocInfo::none) {
        // ...
      } else {
        // [base + index*scale + disp32]
        // [10 reg 100][ss index base] disp32
        assert(index != rsp, "illegal addressing mode");
        emit_int8(0x84 | regenc);
        emit_int8(scale <<6 | indexenc | baseenc);
        emit_data(disp, rspec, disp32_operand);
      }
    } else if (base == rsp LP64_ONLY(|| base == r12)) {
      // ... 
    } else {

      // ... 
    }
  } else {
    // ... 
  }
}

上面的代码的关注点已经标出，这里我们将其抽出，并将前文中的emit_int8((unsigned char) 0x89)结合起来：

emit_int8((unsigned char) 0x89)
emit_int8(0x04 | regenc);
emit_int8(scale <<6 | indexenc | baseenc);

最终其生成了如下的汇编代码（64位机器）：

mov    %eax,(%rcx,%rbx,1)

好了，问题来了：

上面这句汇编怎么得出的？

6.2、计算过程

我们给个下面的值：

regenc = 0x0，scale <<6 | indexenc | baseenc = 25

进行简单的运算就可以得到：

emit_int8((unsigned char) 0x89) //得到0x89
emit_int8(0x04 | regenc); //得到0x04
emit_int8(scale <<6 | indexenc | baseenc); //得到0x19

合起来就是三个字节：

0x89 0x04 0x19

1、0x89对应什么？

从上表可以看出因为JVM工作在64位下，所以需要配合REX.W来“起头”，不过在我们这个例子中，其恰好是0。

主要看那个89/r，其后面跟的指令是什么呢？

MOV r/m64,r64 //64位，将寄存器中的值给到寄存器或者内存地址中

2、0x04代表什么？

现在我们要用到上面的Mod R/M表和SIB表了。

用第二个字节0x04查Mod R/M表，可知源操作数是寄存器EAX，同时可知寻址类型是[–][–]类型，含义为：

The [–][–] nomenclature means a SIB follows the ModR/M byte.

3、0x19代表什么？

继续查SIB表，对应字节0x19的是：

base = ECX
scaled index = EBX

4、汇编代码：

//32位
mov %eax,%(ecx,ebx,1)

//64位
mov %rax,%(rcx,rbx,1)

7、结语

本文简要探讨了：

如何根据opcode和寻址模式，将bytecode生成汇编码。

终。