本文由HeapDump性能社区首席讲师鸠摩（马智）授权整理发布

第17章-x86-64寄存器

不同的CPU都能够解释的机器语言的体系称为指令集架构（ISA，Instruction Set Architecture），也可以称为指令集（instruction set）。Intel将x86系列CPU之中的32位CPU指令集架构称为IA-32，IA是“Intel Architecture”的简称，也可以称为i386、x86-32。AMD等于Intell提出了x86系列的64位扩展，所以由AMD设计的x86系列的64位指令集架构称为AMD64。后来Intel在自己的CPU中加入和AMD64几乎相同的指令集，称为Intel 64的指令集。AMD64和Intel 64可以统称为x86-64。

x86-64的所有寄存器都是与机器字长（数据总线位宽）相同，即64位的，x86-64将x86的8个32位通用寄存器扩展为64位（eax、ebx、ecx、edx、eci、edi、ebp、esp），并且增加了8个新的64位寄存器（r8-r15），在命名方式上，也从”exx”变为”rxx”，但仍保留”exx”进行32位操作，下表描述了各寄存器的命名和作用。

其中的%esp与%ebp有特殊用途，用来保存指向程序栈中特定位置的指针。

另外还有eflags寄存器，通过位来表示特定的含义，如下图所示。

image

在HotSpot VM中，表示寄存器的类都继承自AbstractRegisterImpl类，这个类的定义如下：

源代码位置：hotspot/src/share/vm/asm/register.hpp

class AbstractRegisterImpl;
typedef AbstractRegisterImpl* AbstractRegister;

class AbstractRegisterImpl {
 protected:
  int value() const  { return (int)(intx)this; }
};　

AbstractRegisterImpl类的继承体系如下图所示。

image

另外还有个ConcreteRegisterImpl类也继承了AbstractRegisterImpl，这个灰与C2编译器的实现有关，这里不做过多讲解。

1、RegisterImpl类

RegisterImpl类用来表示通用寄存器，类的定义如下：

源代码位置：cpu/x86/vm/register_x86.hpp

// 使用Register做为RegisterImpl的简称
class RegisterImpl;
typedef RegisterImpl* Register;

class RegisterImpl: public AbstractRegisterImpl {
 public:
  enum {
    number_of_registers      = 16,
    number_of_byte_registers = 16
  };
  // ...
};

对于64位来说，通用寄存器的位宽为64位，也可以将eax、ebx、ecx和edx的一部分当作8位寄存器来使用，所以可以存储字节的寄存器数量为4。

在HotSpot VM中定义寄存器，如下：

源代码位置：hotspot/src/cpu/x86/vm/register_x86.hpp

CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, noreg, (-1)); // noreg_RegisterEnumValue = ((-1))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rax,    (0)); // rax_RegisterEnumValue = ((0))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rcx,    (1)); // rcx_RegisterEnumValue = ((1))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rdx,    (2)); // rdx_RegisterEnumValue = ((2))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rbx,    (3)); // rbx_RegisterEnumValue = ((3))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rsp,    (4)); // rsp_RegisterEnumValue = ((4))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rbp,    (5)); // rbp_RegisterEnumValue = ((5))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rsi,    (6)); // rsi_RegisterEnumValue = ((6))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rdi,    (7)); // rdi_RegisterEnumValue = ((7))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r8,     (8)); // r8_RegisterEnumValue = ((8))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r9,     (9)); // r9_RegisterEnumValue = ((9))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r10,   (10)); // r10_RegisterEnumValue = ((10))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r11,   (11)); // r11_RegisterEnumValue = ((11))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r12,   (12)); // r12_RegisterEnumValue = ((12))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r13,   (13)); // r13_RegisterEnumValue = ((13))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r14,   (14)); // r14_RegisterEnumValue = ((14))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r15,   (15)); // r15_RegisterEnumValue = ((15))

宏CONSTANT_REGISTER_DECLARATION定义如下：

源代码位置：hotspot/src/share/vm/asm/register.hpp

#define CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(type, name, value)   \
  extern const type name;                                  \
  enum { name##_##type##EnumValue = (value) }

经过宏扩展后如下：

extern const Register  rax;
enum { rax_RegisterEnumValue = ((0)) }
extern const Register  rcx;
enum { rcx_RegisterEnumValue = ((1)) }
extern const Register  rdx;
enum { rdx_RegisterEnumValue = ((2)) }
extern const Register  rbx;
enum { rbx_RegisterEnumValue = ((3)) }
extern const Register  rsp;
enum { rsp_RegisterEnumValue = ((4)) }
extern const Register  rbp;
enum { rbp_RegisterEnumValue = ((5)) }
extern const Register  rsi;
enum { rsi_RegisterEnumValue = ((6)) }
extern const Register  rsi;
enum { rdi_RegisterEnumValue = ((7)) }
extern const Register  r8;
enum { r8_RegisterEnumValue = ((8)) }
extern const Register  r9;
enum { r9_RegisterEnumValue = ((9)) }
extern const Register  r10;
enum { r10_RegisterEnumValue = ((10)) }
extern const Register  r11;
enum { r11_RegisterEnumValue = ((11)) }
extern const Register  r12;
enum { r12_RegisterEnumValue = ((12)) }
extern const Register  r13;
enum { r13_RegisterEnumValue = ((13)) }
extern const Register  r14;
enum { r14_RegisterEnumValue = ((14)) }
extern const Register  r15;
enum { r15_RegisterEnumValue = ((15)) }

如上的枚举类给寄存器指定了一个常量值。

在cpu/x86/vm/register_definitions_x86.cpp文件中定义的寄存器如下：

const Register  noreg = ((Register)noreg_RegisterEnumValue)
const Register  rax =   ((Register)rax_RegisterEnumValue)
const Register  rcx =   ((Register)rcx_RegisterEnumValue)
const Register  rdx =   ((Register)rdx_RegisterEnumValue)
const Register  rbx =   ((Register)rbx_RegisterEnumValue)
const Register  rsp =   ((Register)rsp_RegisterEnumValue)
const Register  rbp =   ((Register)rbp_RegisterEnumValue)
const Register  rsi =   ((Register)rsi_RegisterEnumValue)
const Register  rdi =   ((Register)rdi_RegisterEnumValue)
const Register  r8 =  ((Register)r8_RegisterEnumValue)
const Register  r9 =  ((Register)r9_RegisterEnumValue)
const Register  r10 = ((Register)r10_RegisterEnumValue)
const Register  r11 = ((Register)r11_RegisterEnumValue)
const Register  r12 = ((Register)r12_RegisterEnumValue)
const Register  r13 = ((Register)r13_RegisterEnumValue)
const Register  r14 = ((Register)r14_RegisterEnumValue)
const Register  r15 = ((Register)r15_RegisterEnumValue)

当我们需要使用通用寄存器时，通过rax、rcx等变量引用就可以了。

2、FloatRegisterImpl

在HotSpot VM中，使用FloatRegisterImpl来表示浮点寄存器，此类的定义如下：

源代码位置：hotspot/src/cpu/x86/vm/register_x86.hpp

// 使用FloatRegister做为简称
class FloatRegisterImpl;
typedef FloatRegisterImpl* FloatRegister;

class FloatRegisterImpl: public AbstractRegisterImpl {
 public:
  enum {
    number_of_registers = 8
  };
  // ...
}

浮点寄存器有8个，分别是st0~st7，这是8个80位寄存器。

这里需要注意的是，还有一种寄存器MMX，MMX并非一种新的寄存器，而是借用了80位浮点寄存器的低64位，也就是说，使用MMX指令集，会影响浮点运算！

3、MMXRegisterImpl

MMX 为一种 SIMD 技术，即可通过一条指令执行多个数据运算，共有8个64位寄存器（借用了80位浮点寄存器的低64位），分别为mm0 – mm7，他与其他普通64位寄存器的区别在于通过它的指令进行运算，可以同时计算2个32位数据，或者4个16位数据等等，可以应用为图像处理过程中图形 颜色的计算。

MMXRegisterImpl类的定义如下：

class MMXRegisterImpl;
typedef MMXRegisterImpl* MMXRegister;

MMX寄存器的定义如下：

CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mnoreg , (-1));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx0 , ( 0));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx1 , ( 1));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx2 , ( 2));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx3 , ( 3));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx4 , ( 4));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx5 , ( 5));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx6 , ( 6));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx7 , ( 7));

宏扩展后如下：

extern const MMXRegister  mnoreg;
enum { mnoreg_MMXRegisterEnumValue = ((-1)) }
extern const MMXRegister  mmx0;
enum { mmx0_MMXRegisterEnumValue = (( 0)) }
extern const MMXRegister  mmx1;
enum { mmx1_MMXRegisterEnumValue = (( 1)) }
extern const MMXRegister  mmx2;
enum { mmx2_MMXRegisterEnumValue = (( 2)) }
extern const MMXRegister  mmx3;
enum { mmx3_MMXRegisterEnumValue = (( 3)) }
extern const MMXRegister  mmx4;
enum { mmx4_MMXRegisterEnumValue = (( 4)) }
extern const MMXRegister  mmx5;
enum { mmx5_MMXRegisterEnumValue = (( 5)) }
extern const MMXRegister  mmx6;
enum { mmx6_MMXRegisterEnumValue = (( 6)) }
extern const MMXRegister  mmx7;
enum { mmx7_MMXRegisterEnumValue = (( 7)) }

MMX Pentium以及Pentium II之后的CPU中有从mm0到mm7共8个64位寄存器。但实际上MMX寄存器和浮点数寄存器是共用的，即无法同时使用浮点数寄存器和MMX寄存器。

cpu/x86/vm/register_definitions_x86.cpp文件中定义的寄存器变量如下：

const MMXRegister  mnoreg = ((MMXRegister)mnoreg_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx0 =   ((MMXRegister)mmx0_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx1 =   ((MMXRegister)mmx1_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx2 =   ((MMXRegister)mmx2_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx3 =   ((MMXRegister)mmx3_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx4 =   ((MMXRegister)mmx4_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx5 =   ((MMXRegister)mmx5_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx6 =   ((MMXRegister)mmx6_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx7 =   ((MMXRegister)mmx7_MMXRegisterEnumValue)

当我们需要使用MMX寄存器时，通过mmx0、mmx1等变量引用就可以了。

4、XMMRegisterImpl类

XMM寄存器是SSE指令用的寄存器。Pentium iii以及之后的CPU中提供了xmm0到xmm7共8个128位宽的XMM寄存器。另外还有个mxcsr寄存器，这个寄存器用来表示SSE指令的运算状态的寄存器。在HotSpot VM中，通过XMMRegisterImpl类来表示寄存器。这个类的定义如下：

源代码位置：hotspot/src/share/x86/cpu/vm/register_x86.hpp

// 使用XMMRegister寄存器做为简称
class XMMRegisterImpl;
typedef XMMRegisterImpl* XMMRegister;

class XMMRegisterImpl: public AbstractRegisterImpl {
 public:
  enum {
    number_of_registers = 16
  };
  ...
}

XMM寄存器的定义如下：

CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xnoreg , (-1));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm0 ,   ( 0));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm1 ,   ( 1));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm2 ,   ( 2));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm3 ,   ( 3));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm4 ,   ( 4));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm5 ,   ( 5));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm6 ,   ( 6));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm7 ,   ( 7));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm8,      (8));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm9,      (9));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm10,    (10));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm11,    (11));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm12,    (12));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm13,    (13));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm14,    (14));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm15,    (15));

经过宏扩展后为：

extern const XMMRegister  xnoreg;
enum { xnoreg_XMMRegisterEnumValue = ((-1)) }
extern const XMMRegister  xmm0;
enum { xmm0_XMMRegisterEnumValue = (( 0)) }
extern const XMMRegister  xmm1;
enum { xmm1_XMMRegisterEnumValue = (( 1)) }
extern const XMMRegister  xmm2;
enum { xmm2_XMMRegisterEnumValue = (( 2)) }
extern const XMMRegister  xmm3;
enum { xmm3_XMMRegisterEnumValue = (( 3)) }
extern const XMMRegister  xmm4;
enum { xmm4_XMMRegisterEnumValue = (( 4)) }
extern const XMMRegister  xmm5;
enum { xmm5_XMMRegisterEnumValue = (( 5)) }
extern const XMMRegister  xmm6;
enum { xmm6_XMMRegisterEnumValue = (( 6)) }
extern const XMMRegister  xmm7;
enum { xmm7_XMMRegisterEnumValue = (( 7)) }
extern const XMMRegister  xmm8;
enum { xmm8_XMMRegisterEnumValue = ((8)) }
extern const XMMRegister  xmm9;
enum { xmm9_XMMRegisterEnumValue = ((9)) }
extern const XMMRegister  xmm10;
enum { xmm10_XMMRegisterEnumValue = ((10)) }
extern const XMMRegister  xmm11;
enum { xmm11_XMMRegisterEnumValue = ((11)) }
extern const XMMRegister  xmm12;
enum { xmm12_XMMRegisterEnumValue = ((12)) }
extern const XMMRegister  xmm13;
enum { xmm13_XMMRegisterEnumValue = ((13)) }
extern const XMMRegister  xmm14;
enum { xmm14_XMMRegisterEnumValue = ((14)) }
extern const XMMRegister  xmm15;
enum { xmm15_XMMRegisterEnumValue = ((15)) }

在cpu/x86/vm/register_definitions_x86.cpp文件中定义的寄存器变量如下：

const XMMRegister  xnoreg = ((XMMRegister)xnoreg_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm0 =   ((XMMRegister)xmm0_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm1 =   ((XMMRegister)xmm1_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm2 =   ((XMMRegister)xmm2_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm3 =   ((XMMRegister)xmm3_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm4 =   ((XMMRegister)xmm4_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm5 =   ((XMMRegister)xmm5_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm6 =   ((XMMRegister)xmm6_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm7 =   ((XMMRegister)xmm7_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm8 =   ((XMMRegister)xmm8_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm9 =   ((XMMRegister)xmm9_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm10 =  ((XMMRegister)xmm10_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm11 =  ((XMMRegister)xmm11_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm12 =  ((XMMRegister)xmm12_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm13 =  ((XMMRegister)xmm13_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm14 =  ((XMMRegister)xmm14_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm15 =  ((XMMRegister)xmm15_XMMRegisterEnumValue)

当我们需要使用XMM寄存器时，直接通过xmm0、xmm1等变量引用就可以了。

第18章-x86指令集之常用指令

x86的指令集可分为以下4种：

1. 通用指令
2. x87 FPU指令，浮点数运算的指令
3. SIMD指令，就是SSE指令
4. 系统指令，写OS内核时使用的特殊指令

下面介绍一些通用的指令。指令由标识命令种类的助记符（mnemonic）和作为参数的操作数（operand）组成。例如move指令：

movl为助记符。助记符有后缀，如movl中的后缀l表示作为操作数的对象的数据大小。l为long的缩写，表示32位的大小，除此之外，还有b、w，q分别表示8位、16位和64位的大小。

指令的操作数如果不止1个，就将每个操作数以逗号分隔。每个操作数都会指明是否可以是立即模式值（I）、寄存器（R）或内存地址（M）。

另外还要提示一下，在x86的汇编语言中，采用内存位置的操作数最多只能出现一个，例如不可能出现mov M,M指令。

通用寄存器中每个操作都可以有一个字符的后缀，表明操作数的大小，如下表所示。

注意：通用寄存器使用后缀“l”同时表示4字节整数和8字节双精度浮点数，这不会产生歧义，因为浮点数使用的是完全不同的指令和寄存器。

我们后面只介绍call、push等指令时，如果在研究HotSpot VM虚拟机的汇编遇到了callq，pushq等指令时，千万别不认识，后缀就是表示了操作数的大小。

下表为操作数的格式和寻址模式。

注：M[xx]表示在存储器中xx地址的值，R[xx]表示寄存器xx的值，这种表示方法将寄存器、内存都看出一个大数组的形式。

汇编根据编译器的不同，有2种书写格式：

（1）Intel : Windows派系
（2）AT&T: Unix派系

下面简单介绍一下两者的不同。

image

下面就来认识一下常用的指令。

下面我们以给出的是AT&T汇编的写法，这两种写法有如下不同。

1、数据传送指令

将数据从一个地方传送到另外一个地方。

1.1 mov指令

我们在介绍mov指令时介绍的全一些，因为mov指令是出现频率最高的指令，助记符中的后缀也比较多。

mov指令的形式有3种，如下：

mov   #普通的move指令
movs  #符号扩展的move指令，将源操作数进行符号扩展并传送到一个64位寄存器或存储单元中。movs就表示符号扩展 
movz  #零扩展的move指令，将源操作数进行零扩展后传送到一个64位寄存器或存储单元中。movz就表示零扩展

mov指令后有一个字母可表示操作数大小，形式如下：

movb #完成1个字节的复制
movw #完成2个字节的复制
movl #完成4个字节的复制
movq #完成8个字节的复制

还有一个指令，如下：

movabsq  I,R

与movq有所不同，它是将一个64位的值直接存到一个64位寄存器中。

movs指令的形式如下：

movsbw #作符号扩展的1字节复制到2字节
movsbl #作符号扩展的1字节复制到4字节
movsbq #作符号扩展的1字节复制到8字节
movswl #作符号扩展的2字节复制到4字节
movswq #作符号扩展的2字节复制到8字节
movslq #作符号扩展的4字节复制到8字节

movz指令的形式如下：

movzbw #作0扩展的1字节复制到2字节
movzbl #作0扩展的1字节复制到4字节
movzbq #作0扩展的1字节复制到8字节
movzwl #作0扩展的2字节复制到4字节
movzwq #作0扩展的2字节复制到8字节
movzlq #作0扩展的4字节复制到8字节

举个例子如下：

movl   %ecx,%eax
movl   (%ecx),%eax

第一条指令将寄存器ecx中的值复制到eax寄存器；第二条指令将ecx寄存器中的数据作为地址访问内存，并将内存上的数据加载到eax寄存器中。

1.2 cmov指令

cmov指令的格式如下：

cmovxx

其中xx代表一个或者多个字母，这些字母表示将触发传送操作的条件。条件取决于 EFLAGS 寄存器的当前值。

eflags寄存器中各个们如下图所示。

image

其中与cmove指令相关的eflags寄存器中的位有CF（数学表达式产生了进位或者借位） 、OF（整数值无穷大或者过小）、PF（寄存器包含数学操作造成的错误数据）、SF（结果为正不是负）和ZF（结果为零）。

下表为无符号条件传送指令。

无符号条件传送指令依靠进位、零和奇偶校验标志来确定两个操作数之间的区别。

下表为有符号条件传送指令。

举个例子如下：

// 将vlaue数值加载到ecx寄存器中
movl value,%ecx 
// 使用cmp指令比较ecx和ebx这两个寄存器中的值，具体就是用ecx减去ebx然后设置eflags
cmp %ebx,%ecx
// 如果ecx的值大于ebx，使用cmova指令设置ebx的值为ecx中的值
cmova %ecx,%ebx 

注意AT&T汇编的第1个操作数在前，第2个操作数在后。

1.3 push和pop指令

push指令的形式如下表所示。

pop指令的形式如下表所示。

1.4 xchg与xchgl

这个指令用于交换操作数的值，交换指令XCHG是两个寄存器，寄存器和内存变量之间内容的交换指令，两个操作数的数据类型要相同，可以是一个字节，也可以是一个字，也可以是双字。格式如下：

xchg    R/M,R/M
xchgl   I/R,I/R、　　

两个操作数不能同时为内存变量。xchgl指令是一条古老的x86指令，作用是交换两个寄存器或者内存地址里的4字节值，两个值不能都是内存地址，他不会设置条件码。

1.5 lea

lea计算源操作数的实际地址，并把结果保存到目标操作数，而目标操作数必须为通用寄存器。格式如下：

lea M,R

lea（Load Effective Address）指令将地址加载到寄存器。

举例如下：

movl  4(%ebx),%eax
leal  4(%ebx),%eax　　

第一条指令表示将ebx寄存器中存储的值加4后得到的结果作为内存地址进行访问，并将内存地址中存储的数据加载到eax寄存器中。

第二条指令表示将ebx寄存器中存储的值加4后得到的结果作为内存地址存放到eax寄存器中。

再举个例子，如下：

leaq a(b, c, d), %rax 

计算地址a + b + c * d，然后把最终地址载到寄存器rax中。可以看到只是简单的计算，不引用源操作数里的寄存器。这样的完全可以把它当作乘法指令使用。

2、算术运算指令

下面介绍对有符号整数和无符号整数进行操作的基本运算指令。

2.1 add与adc指令

指令的格式如下：

add  I/R/M,R/M
adc  I/R/M,R/M

指令将两个操作数相加，结果保存在第2个操作数中。

对于第1条指令来说，由于寄存器和存储器都有位宽限制，因此在进行加法运算时就有可能发生溢出。运算如果溢出的话，标志寄存器eflags中的进位标志（Carry Flag，CF）就会被置为1。

对于第2条指令来说，利用adc指令再加上进位标志eflags.CF，就能在32位的机器上进行64位数据的加法运算。

常规的算术逻辑运算指令只要将原来IA-32中的指令扩展到64位即可。如addq就是四字相加。

2.2 sub与sbb指令

指令的格式如下：

sub I/R/M,R/M
sbb I/R/M,R/M

指令将用第2个操作数减去第1个操作数，结果保存在第2个操作数中。

2.3 imul与mul指令

指令的格式如下：

imul I/R/M,R
mul  I/R/M,R

将第1个操作数和第2个操作数相乘，并将结果写入第2个操作数中，如果第2个操作数空缺，默认为eax寄存器，最终完整的结果将存储到edx:eax中。

第1条指令执行有符号乘法，第2条指令执行无符号乘法。

2.4 idiv与div指令

指令的格式如下：

div   R/M
idiv  R/M

第1条指令执行无符号除法，第2条指令执行有符号除法。被除数由edx寄存器和eax寄存器拼接而成，除数由指令的第1个操作数指定，计算得到的商存入eax寄存器，余数存入edx寄存器。如下图所示。

    edx:eax
------------ = eax（商）... edx（余数）
    寄存器

运算时被除数、商和除数的数据的位宽是不一样的，如下表表示了idiv指令和div指令使用的寄存器的情况。

idiv指令和div指令通常是对位宽2倍于除数的被除数进行除法运算的。例如对于x86-32机器来说，通用寄存器的倍数为32位，1个寄存器无法容纳64位的数据，所以 edx存放被除数的高32位，而eax寄存器存放被除数的低32位。

所以在进行除法运算时，必须将设置在eax寄存器中的32位数据扩展到包含edx寄存器在内的64位，即有符号进行符号扩展，无符号数进行零扩展。

对edx进行符号扩展时可以使用cltd（AT&T风格写法）或cdq（Intel风格写法）。指令的格式如下：

cltd  // 将eax寄存器中的数据符号扩展到edx:eax

cltd将eax寄存器中的数据符号扩展到edx:eax。

2.5 incl与decl指令

指令的格式如下：

inc  R/M
dec  R/M　

将指令第1个操作数指定的寄存器或内存位置存储的数据加1或减1。

2.6 negl指令

指令的格式如下：

neg R/M

neg指令将第1个操作数的符号进行反转。

3、位运算指令

3.1 andl、orl与xorl指令

指令的格式如下：

and  I/R/M,R/M
or   I/R/M,R/M
xor  I/R/M,R/M

and指令将第2个操作数与第1个操作数进行按位与运算，并将结果写入第2个操作数；

or指令将第2个操作数与第1个操作数进行按位或运算，并将结果写入第2个操作数；

xor指令将第2个操作数与第1个操作数进行按位异或运算，并将结果写入第2个操作数；

3.2 not指令

指令的格式如下：

not R/M

将操作数按位取反，并将结果写入操作数中。

3.3 sal、sar、shr指令

指令的格式如下：

sal  I/%cl,R/M  #算术左移
sar  I/%cl,R/M  #算术右移
shl  I/%cl,R/M  #逻辑左移
shr  I/%cl,R/M  #逻辑右移

sal指令将第2个操作数按照第1个操作数指定的位数进行左移操作，并将结果写入第2个操作数中。移位之后空出的低位补0。指令的第1个操作数只能是8位的立即数或cl寄存器，并且都是只有低5位的数据才有意义，高于或等于6位数将导致寄存器中的所有数据被移走而变得没有意义。

sar指令将第2个操作数按照第1个操作数指定的位数进行右移操作，并将结果写入第2个操作数中。移位之后的空出进行符号扩展。和sal指令一样，sar指令的第1个操作数也必须为8位的立即数或cl寄存器，并且都是只有低5位的数据才有意义。

shl指令和sall指令的动作完全相同，没有必要区分。

shr令将第2个操作数按照第1个操作数指定的位数进行右移操作，并将结果写入第2个操作数中。移位之后的空出进行零扩展。和sal指令一样，shr指令的第1个操作数也必须为8位的立即数或cl寄存器，并且都是只有低5位的数据才有意义。

4、流程控制指令

4.1 jmp指令

指令的格式如下：

jmp I/R

jmp指令将程序无条件跳转到操作数指定的目的地址。jmp指令可以视作设置指令指针（eip寄存器）的指令。目的地址也可以是星号后跟寄存器的栈，这种方式为间接函数调用。例如：

jmp *%eax

将程序跳转至eax所含地址。

4.2 条件跳转指令

条件跳转指令的格式如下：

Jcc  目的地址

其中cc指跳转条件，如果为真，则程序跳转到目的地址；否则执行下一条指令。相关的条件跳转指令如下表所示。

4.3 cmp指令

cmp指令的格式如下：

cmp I/R/M,R/M

cmp指令通过比较第2个操作数减去第1个操作数的差，根据结果设置标志寄存器eflags中的标志位。cmp指令和sub指令类似，不过cmp指令不会改变操作数的值。

操作数和所设置的标志位之间的关系如表所示。

4.4 test指令

指令的格式如下：

test I/R/M,R/M

指令通过比较第1个操作数与第2个操作数的逻辑与，根据结果设置标志寄存器eflags中的标志位。test指令本质上和and指令相同，只是test指令不会改变操作数的值。

test指令执行后CF与OF通常会被清零，并根据运算结果设置ZF和SF。运算结果为零时ZF被置为1，SF和最高位的值相同。

举个例子如下：

test指令同时能够检查几个位。假设想要知道 AL 寄存器的位 0 和位 3 是否置 1，可以使用如下指令：

test al,00001001b    #掩码为0000 1001，测试第0和位3位是否为1

从下面的数据集例子中，可以推断只有当所有测试位都清 0 时，零标志位才置 1：

0  0  1  0  0  1  0  1    <- 输入值
0  0  0  0  1  0  0  1    <- 测试值
0  0  0  0  0  0  0  1    <- 结果：ZF=0

0  0  1  0  0  1  0  0    <- 输入值
0  0  0  0  1  0  0  1    <- 测试值
0  0  0  0  0  0  0  0    <- 结果：ZF=1

test指令总是清除溢出和进位标志位，其修改符号标志位、零标志位和奇偶标志位的方法与 AND 指令相同。

4.5 sete指令

根据eflags中的状态标志（CF,SF,OF,ZF和PF）将目标操作数设置为0或1。这里的目标操作数指向一个字节寄存器（也就是８位寄存器，如AL，BL，CL）或内存中的一个字节。状态码后缀（cc）指明了将要测试的条件。

获取标志位的指令的格式如下：

setcc R/M

指令根据标志寄存器eflags的值，将操作数设置为0或1。

setcc中的cc和Jcc中的cc类似，可参考表。

4.6 call指令

指令的格式如下：

call I/R/M

call指令会调用由操作数指定的函数。call指令会将指令的下一条指令的地址压栈，再跳转到操作数指定的地址，这样函数就能通过跳转到栈上的地址从子函数返回了。相当于

push %eip
jmp addr

先压入指令的下一个地址，然后跳转到目标地址addr。

4.7 ret指令

指令的格式如下：

ret

ret指令用于从子函数中返回。X86架构的Linux中是将函数的返回值设置到eax寄存器并返回的。相当于如下指令：

popl %eip

将call指令压栈的“call指令下一条指令的地址”弹出栈，并设置到指令指针中。这样程序就能正确地返回子函数的地方。

从物理上来说，CALL 指令将其返回地址压入堆栈，再把被调用过程的地址复制到指令指针寄存器。当过程准备返回时，它的 RET 指令从堆栈把返回地址弹回到指令指针寄存器。

4.8 enter指令

enter指令通过初始化ebp和esp寄存器来为函数建立函数参数和局部变量所需要的栈帧。相当于

push   %rbp
mov    %rsp,%rbp

4.9 leave指令

leave通过恢复ebp与esp寄存器来移除使用enter指令建立的栈帧。相当于

mov %rbp, %rsp
pop %rbp

将栈指针指向帧指针，然后pop备份的原帧指针到%ebp

5.0 int指令

指令的格式如下：

int I

引起给定数字的中断。这通常用于系统调用以及其他内核界面。

5、标志操作

eflags寄存器的各个标志位如下图所示。

image

操作eflags寄存器标志的一些指令如下表所示。

第19篇-加载与存储指令（1）

TemplateInterpreterGenerator::generate_all()函数会生成许多例程（也就是机器指令片段，英文叫Stub），包括调用set_entry_points_for_all_bytes()函数生成各个字节码对应的例程。

最终会调用到TemplateInterpreterGenerator::generate_and_dispatch()函数，调用堆栈如下：

TemplateTable::geneate()                                templateTable_x86_64.cpp
TemplateInterpreterGenerator::generate_and_dispatch()   templateInterpreter.cpp 
TemplateInterpreterGenerator::set_vtos_entry_points()   templateInterpreter_x86_64.cpp  
TemplateInterpreterGenerator::set_short_entry_points()  templateInterpreter.cpp
TemplateInterpreterGenerator::set_entry_points()        templateInterpreter.cpp
TemplateInterpreterGenerator::set_entry_points_for_all_bytes()   templateInterpreter.cpp    
TemplateInterpreterGenerator::generate_all()            templateInterpreter.cpp
InterpreterGenerator::InterpreterGenerator()            templateInterpreter_x86_64.cpp  
TemplateInterpreter::initialize()                       templateInterpreter.cpp
interpreter_init()                                      interpreter.cpp
init_globals()                                          init.cpp

调用堆栈上的许多函数在之前介绍过，每个字节码都会指定一个generator函数，通过Template的_gen属性保存。在TemplateTable::generate()函数中调用。_gen会生成每个字节码对应的机器指令片段，所以非常重要。

首先看一个非常简单的nop字节码指令。这个指令的模板属性如下：

// Java spec bytecodes  ubcp|disp|clvm|iswd  in    out   generator   argument
def(Bytecodes::_nop   , ____|____|____|____, vtos, vtos, nop        ,  _      );

nop字节码指令的生成函数generator不会生成任何机器指令，所以nop字节码指令对应的汇编代码中只有栈顶缓存的逻辑。调用set_vtos_entry_points()函数生成的汇编代码如下：

// aep
0x00007fffe1027c00: push   %rax
0x00007fffe1027c01: jmpq   0x00007fffe1027c30

// fep
0x00007fffe1027c06: sub    $0x8,%rsp
0x00007fffe1027c0a: vmovss %xmm0,(%rsp)
0x00007fffe1027c0f: jmpq   0x00007fffe1027c30

// dep
0x00007fffe1027c14: sub    $0x10,%rsp
0x00007fffe1027c18: vmovsd %xmm0,(%rsp)
0x00007fffe1027c1d: jmpq   0x00007fffe1027c30

// lep
0x00007fffe1027c22: sub    $0x10,%rsp
0x00007fffe1027c26: mov    %rax,(%rsp)
0x00007fffe1027c2a: jmpq   0x00007fffe1027c30

// bep cep sep iep
0x00007fffe1027c2f: push   %rax

// vep

// 接下来为取指逻辑，开始的地址为0x00007fffe1027c30

可以看到，由于tos_in为vtos，所以如果是aep、bep、cep、sep与iep时，直接使用push指令将%rax中存储的栈顶缓存值压入表达式栈中。对于fep、dep与lep来说，在栈上开辟对应内存的大小，然后将寄存器中的值存储到表达式的栈顶上，与push指令的效果相同。

在set_vtos_entry_points()函数中会调用generate_and_dispatch()函数生成nop指令的机器指令片段及取下一条字节码指令的机器指令片段。nop不会生成任何机器指令，而取指的片段如下：

// movzbl 将做了零扩展的字节传送到双字，地址为0x00007fffe1027c30
0x00007fffe1027c30: movzbl  0x1(%r13),%ebx       

0x00007fffe1027c35: inc %r13 

0x00007fffe1027c38: movabs $0x7ffff73ba4a0,%r10 

// movabs的源操作数只能是立即数或标号（本质还是立即数），目的操作数是寄存器 
0x00007fffe1027c42: jmpq *(%r10,%rbx,8)

r13指向当前要取的字节码指令的地址。那么%r13+1就是跳过了当前的nop指令而指向了下一个字节码指令的地址，然后执行movzbl指令将所指向的Opcode加载到%ebx中。

通过jmpq的跳转地址为%r10+%rbx*8，关于这个跳转地址在前面详细介绍过，这里不再介绍。

我们讲解了nop指令，把栈顶缓存的逻辑和取指逻辑又回顾了一遍，对于每个字节码指令来说都会有有栈顶缓存和取指逻辑，后面在介绍字节码指令时就不会再介绍这2个逻辑。

加载与存储相关操作的字节码指令如下表所示。

我们不会对每个字节码指令都查看对应的机器指令片段的逻辑（其实是反编译机器指令片段为汇编后，通过查看汇编理解执行逻辑），有些指令的逻辑是类似的，这里只选择几个典型的介绍。

1、压栈类型的指令

（1）aconst_null指令

aconst_null表示将null送到栈顶，模板定义如下：

def(Bytecodes::_aconst_null , ____|____|____|____, vtos, atos, aconst_null  ,  _ );

指令的汇编代码如下：

// xor 指令在两个操作数的对应位之间进行逻辑异或操作，并将结果存放在目标操作数中
// 第1个操作数和第2个操作数相同时，执行异或操作就相当于执行清零操作
xor    %eax,%eax 

由于tos_out为atos，所以栈顶的结果是缓存在%eax寄存器中的，只对%eax寄存器执行xor操作即可。

（2）iconst_m1指令

iconst_m1表示将-1压入栈内，模板定义如下：

def(Bytecodes::_iconst_m1 , ____|____|____|____, vtos, itos, iconst , -1 );

生成的机器指令经过反汇编后，得到的汇编代码如下：

mov    $0xffffffff,%eax 

其它的与iconst_m1字节码指令类似的字节码指令，如iconst_0、iconst_1等，模板定义如下：

def(Bytecodes::_iconst_m1           , ____|____|____|____, vtos, itos, iconst              , -1           );
def(Bytecodes::_iconst_0            , ____|____|____|____, vtos, itos, iconst              ,  0           );
def(Bytecodes::_iconst_1            , ____|____|____|____, vtos, itos, iconst              ,  1           );
def(Bytecodes::_iconst_2            , ____|____|____|____, vtos, itos, iconst              ,  2           );
def(Bytecodes::_iconst_3            , ____|____|____|____, vtos, itos, iconst              ,  3           );
def(Bytecodes::_iconst_4            , ____|____|____|____, vtos, itos, iconst              ,  4           );
def(Bytecodes::_iconst_5            , ____|____|____|____, vtos, itos, iconst              ,  5           );

可以看到，生成函数都是同一个TemplateTable::iconst()函数。

iconst_0的汇编代码如下：

xor    %eax,%eax

iconst_@（@为1、2、3、4、5）的字节码指令对应的汇编代码如下：

// aep  
0x00007fffe10150a0: push   %rax
0x00007fffe10150a1: jmpq   0x00007fffe10150d0

// fep
0x00007fffe10150a6: sub    $0x8,%rsp
0x00007fffe10150aa: vmovss %xmm0,(%rsp)
0x00007fffe10150af: jmpq   0x00007fffe10150d0

// dep
0x00007fffe10150b4: sub    $0x10,%rsp
0x00007fffe10150b8: vmovsd %xmm0,(%rsp)
0x00007fffe10150bd: jmpq   0x00007fffe10150d0

// lep
0x00007fffe10150c2: sub    $0x10,%rsp
0x00007fffe10150c6: mov    %rax,(%rsp)
0x00007fffe10150ca: jmpq   0x00007fffe10150d0

// bep/cep/sep/iep
0x00007fffe10150cf: push   %rax

// vep
0x00007fffe10150d0 mov $0x@,%eax // @代表1、2、3、4、5

如果看过我之前写的文章，那么如上的汇编代码应该能看懂，我在这里就不再做过多介绍了。

（3）bipush

bipush 将单字节的常量值推送至栈顶。模板定义如下：

def(Bytecodes::_bipush , ubcp|____|____|____, vtos, itos, bipush ,  _ );

指令的汇编代码如下：

// %r13指向字节码指令的地址，偏移1位
// 后取出1个字节的内容存储到%eax中
movsbl 0x1(%r13),%eax 

由于tos_out为itos，所以将单字节的常量值存储到%eax中，这个寄存器是专门用来进行栈顶缓存的。

（4）sipush

sipush将一个短整型常量值推送到栈顶，模板定义如下：

def(Bytecodes::_bipush , ubcp|____|____|____, vtos, itos, bipush ,  _  );

生成的汇编代码如下：

// movzwl传送做了符号扩展字到双字
movzwl 0x1(%r13),%eax 
// bswap 以字节为单位，把32/64位寄存器的值按照低和高的字节交换
bswap  %eax     
// （算术右移）指令将目的操作数进行算术右移      
sar    $0x10,%eax    

Java中的短整型占用2个字节，所以需要对32位寄存器%eax进行一些操作。由于字节码采用大端存储，所以在处理时统一变换为小端存储。

2、存储类型指令

istore指令会将int类型数值存入指定索引的本地变量表，模板定义如下：

def(Bytecodes::_istore , ubcp|____|clvm|____, itos, vtos, istore ,  _ );

生成函数为TemplateTable::istore()，生成的汇编代码如下：

movzbl 0x1(%r13),%ebx
neg    %rbx
mov    %eax,(%r14,%rbx,8)

由于栈顶缓存tos_in为itos，所以直接将%eax中的值存储到指定索引的本地变量表中。

模板中指定ubcp，因为生成的汇编代码中会使用%r13，也就是字节码指令指针。

其它的istore、dstore等字节码指令的汇编代码逻辑也类似，这里不过多介绍。

第20篇-加载与存储指令之ldc与_fast_aldc指令（2）

ldc指令将int、float、或者一个类、方法类型或方法句柄的符号引用、还可能是String型常量值从常量池中推送至栈顶。

这一篇介绍一个虚拟机规范中定义的一个字节码指令ldc，另外还有一个虚拟机内部使用的字节码指令_fast_aldc。ldc指令可以加载String、方法类型或方法句柄的符号引用，但是如果要加载String、方法类型或方法句柄的符号引用，则会在类连接过程中重写ldc字节码指令为虚拟机内部使用的字节码指令_fast_aldc。下面我们详细介绍ldc指令如何加载int、float类型和类类型的数据，以及_fast_aldc加载String、方法类型或方法句柄，还有为什么要进行字节码重写等问题。

1、ldc字节码指令

ldc指令将int、float或String型常量值从常量池中推送至栈顶。模板的定义如下：

def(Bytecodes::_ldc , ubcp|____|clvm|____, vtos, vtos, ldc ,  false );

ldc字节码指令的格式如下：

// index是一个无符号的byte类型数据，指明当前类的运行时常量池的索引
ldc index 

调用生成函数TemplateTable::ldc(bool wide)。函数生成的汇编代码如下：

第1部分代码：

// movzbl指令负责拷贝一个字节，并用0填充其目
// 的操作数中的其余各位，这种扩展方式叫"零扩展"
// ldc指定的格式为ldc index，index为一个字节
0x00007fffe1028530: movzbl 0x1(%r13),%ebx // 加载index到%ebx

// %rcx指向缓存池首地址、%rax指向类型数组_tags首地址
0x00007fffe1028535: mov    -0x18(%rbp),%rcx
0x00007fffe1028539: mov    0x10(%rcx),%rcx
0x00007fffe102853d: mov    0x8(%rcx),%rcx
0x00007fffe1028541: mov    0x10(%rcx),%rax


// 从_tags数组获取操作数类型并存储到%edx中
0x00007fffe1028545: movzbl 0x4(%rax,%rbx,1),%edx

// $0x64代表JVM_CONSTANT_UnresolvedClass，比较，如果类还没有链接，
// 则直接跳转到call_ldc
0x00007fffe102854a: cmp    $0x64,%edx
0x00007fffe102854d: je     0x00007fffe102855d   // call_ldc

// $0x67代表JVM_CONSTANT_UnresolvedClassInError，也就是如果类在
// 链接过程中出现错误，则跳转到call_ldc
0x00007fffe102854f: cmp    $0x67,%edx
0x00007fffe1028552: je     0x00007fffe102855d  // call_ldc

// $0x7代表JVM_CONSTANT_Class，表示如果类已经进行了连接，则
// 跳转到notClass
0x00007fffe1028554: cmp    $0x7,%edx
0x00007fffe1028557: jne    0x00007fffe10287c0  // notClass

// 类在没有连接或连接过程中出错，则执行如下的汇编代码
// -- call_ldc --

下面看一下调用call_VM(rax, CAST_FROM_FN_PTR(address, InterpreterRuntime::ldc), c_rarg1)函数生成的汇编代码，CAST_FROM_FN_PTR是宏，宏扩展后为( (address)((address_word)(InterpreterRuntime::ldc)) )。

在调用call_VM()函数时，传递的参数如下：

• %rax现在存储类型数组首地址，不过传入是为了接收调用函数的结果值
• adr是InterpreterRuntime::ldc()函数首地址
• c_rarg1用rdi寄存器存储wide值，这里为0，表示为没有加wide前缀的ldc指令生成汇编代码

生成的汇编代码如下：

第2部分：

// 将wide的值移到%esi寄存器，为后续
// 调用InterpreterRuntime::ldc()函数准备第2个参数
0x00007fffe102855d: mov $0x0,%esi 
// 调用MacroAssembler::call_VM()函数，通过此函数来调用HotSpot VM中用
// C++编写的函数，通过这个C++编写的函数来调用InterpreterRuntime::ldc()函数

0x00007fffe1017542: callq  0x00007fffe101754c 
0x00007fffe1017547: jmpq   0x00007fffe10175df // 跳转到E1

// 调用MacroAssembler::call_VM_helper()函数
// 将栈顶存储的返回地址设置到%rax中，也就是将存储地址0x00007fffe1017547
// 的栈的slot地址设置到%rax中
0x00007fffe101754c: lea 0x8(%rsp),%rax


// 调用InterpreterMacroAssembler::call_VM_base()函数
// 存储bcp到栈中特定位置
0x00007fffe1017551: mov %r13,-0x38(%rbp)

// 调用MacroAssembler::call_VM_base()函数
// 将r15中的值移动到rdi寄存器中，也就是为函数调用准备第一个参数
0x00007fffe1017555: mov   %r15,%rdi
// 只有解释器才必须要设置fp
// 将last_java_fp保存到JavaThread类的last_java_fp属性中
0x00007fffe1017558: mov   %rbp,0x200(%r15)  
// 将last_java_sp保存到JavaThread类的last_java_sp属性中 
0x00007fffe101755f: mov   %rax,0x1f0(%r15)   

// ... 省略调用MacroAssembler::call_VM_leaf_base()函数

// 重置JavaThread::last_java_sp与JavaThread::last_java_fp属性的值
0x00007fffe1017589: movabs $0x0,%r10
0x00007fffe1017593: mov %r10,0x1f0(%r15)
0x00007fffe101759a: movabs $0x0,%r10
0x00007fffe10175a4: mov %r10,0x200(%r15)

// check for pending exceptions (java_thread is set upon return)
0x00007fffe10175ab: cmpq  $0x0,0x8(%r15)
// 如果没有异常则直接跳转到ok
0x00007fffe10175b3: je    0x00007fffe10175be
// 如果有异常则跳转到StubRoutines::forward_exception_entry()获取的例程入口
0x00007fffe10175b9: jmpq  0x00007fffe1000420

// -- ok --
// 将JavaThread::vm_result属性中的值存储到%rax寄存器中并清空vm_result属性的值
0x00007fffe10175be: mov     0x250(%r15),%rax
0x00007fffe10175c5: movabs  $0x0,%r10
0x00007fffe10175cf: mov     %r10,0x250(%r15)

// 结束调用MacroAssembler::call_VM_base()函数


// 恢复bcp与locals
0x00007fffe10175d6: mov   -0x38(%rbp),%r13
0x00007fffe10175da: mov   -0x30(%rbp),%r14


// 结束调用MacroAssembler::call_VM_helper()函数

0x00007fffe10175de: retq  
// 结束调用MacroAssembler::call_VM()函数

下面详细解释如下汇编的意思。

call指令相当于如下两条指令：

push %eip
jmp  addr

而ret指令相当于：

 pop %eip

所以如上汇编代码：

0x00007fffe1017542: callq  0x00007fffe101754c 
0x00007fffe1017547: jmpq   0x00007fffe10175df // 跳转
...
0x00007fffe10175de: retq 

调用callq指令将jmpq的地址压入了表达式栈，也就是压入了返回地址x00007fffe1017547，这样当后续调用retq时，会跳转到jmpq指令执行，而jmpq又跳转到了0x00007fffe10175df地址处的指令执行。

通过调用MacroAssembler::call_VM()函数来调用HotSpot VM中用的C++编写的函数，call_VM()函数还会调用如下函数：

MacroAssembler::call_VM_helper
   InterpreterMacroAssembler::call_VM_base()
       MacroAssembler::call_VM_base()
            MacroAssembler::call_VM_leaf_base()

在如上几个函数中，最重要的就是在MacroAssembler::call_VM_base()函数中保存rsp、rbp的值到JavaThread::last_java_sp与JavaThread::last_java_fp属性中，然后通过MacroAssembler::call_VM_leaf_base()函数生成的汇编代码来调用C++编写的InterpreterRuntime::ldc()函数，如果调用InterpreterRuntime::ldc()函数有可能破坏rsp和rbp的值（其它的%r13、%r14等的寄存器中的值也有可能破坏，所以在必要时保存到栈中，在调用完成后再恢复，这样这些寄存器其实就算的上是调用者保存的寄存器了），所以为了保证rsp、rbp，将这两个值存储到线程中，在线程中保存的这2个值对于栈展开非常非常重要，后面我们会详细介绍。

由于如上汇编代码会解释执行，在解释执行过程中会调用C++函数，所以C/C++栈和Java栈都混在一起，这为我们查找带来了一定的复杂度。

调用的MacroAssembler::call_VM_leaf_base()函数生成的汇编代码如下：

第3部分汇编代码：

// 调用MacroAssembler::call_VM_leaf_base()函数
0x00007fffe1017566: test  $0xf,%esp          // 检查对齐
// %esp对齐的操作，跳转到 L
0x00007fffe101756c: je    0x00007fffe1017584 
// %esp没有对齐时的操作
0x00007fffe1017572: sub   $0x8,%rsp
0x00007fffe1017576: callq 0x00007ffff66a22a2  // 调用函数，也就是调用InterpreterRuntime::ldc()函数
0x00007fffe101757b: add   $0x8,%rsp
0x00007fffe101757f: jmpq  0x00007fffe1017589  // 跳转到E2
// -- L --
// %esp对齐的操作
0x00007fffe1017584: callq 0x00007ffff66a22a2  // 调用函数，也就是调用InterpreterRuntime::ldc()函数

// -- E2 --

// 结束调用
MacroAssembler::call_VM_leaf_base()函数

在如上这段汇编中会真正调用C++函数InterpreterRuntime::ldc()，由于这是一个C++函数，所以在调用时，如果要传递参数，则要遵守C++调用约定，也就是前6个参数都放到固定的寄存器中。这个函数需要2个参数，分别为thread和wide，已经分别放到了%rdi和%rax寄存器中了。InterpreterRuntime::ldc()函数的实现如下：

// ldc负责将数值常量或String常量值从常量池中推送到栈顶
IRT_ENTRY(void, InterpreterRuntime::ldc(JavaThread* thread, bool wide))
  ConstantPool* pool = method(thread)->constants();
  int index = wide ? get_index_u2(thread, Bytecodes::_ldc_w) : get_index_u1(thread, Bytecodes::_ldc);
  constantTag tag = pool->tag_at(index);

  Klass* klass = pool->klass_at(index, CHECK);
  oop java_class = klass->java_mirror(); // java.lang.Class通过oop来表示
  thread->set_vm_result(java_class);
IRT_END

函数将查找到的、当前正在解释执行的方法所属的类存储到JavaThread类的vm_result属性中。我们可以回看第2部分汇编代码，会将vm_result属性的值设置到%rax中。

接下来继续看TemplateTable::ldc(bool wide)函数生成的汇编代码，此时已经通过调用call_VM()函数生成了调用InterpreterRuntime::ldc()这个C++的汇编，调用完成后值已经放到了%rax中。

// -- E1 --  
0x00007fffe10287ba: push   %rax  // 将调用的结果存储到表达式中
0x00007fffe10287bb: jmpq   0x00007fffe102885e // 跳转到Done

// -- notClass --
// $0x4表示JVM_CONSTANT_Float
0x00007fffe10287c0: cmp    $0x4,%edx
0x00007fffe10287c3: jne    0x00007fffe10287d9 // 跳到notFloat
// 当ldc字节码指令加载的数为float时执行如下汇编代码
0x00007fffe10287c5: vmovss 0x58(%rcx,%rbx,8),%xmm0
0x00007fffe10287cb: sub    $0x8,%rsp
0x00007fffe10287cf: vmovss %xmm0,(%rsp)
0x00007fffe10287d4: jmpq   0x00007fffe102885e // 跳转到Done
 
// -- notFloat --
// 当ldc字节码指令加载的为非float，也就是int类型数据时通过push加入表达式栈
0x00007fffe1028859: mov    0x58(%rcx,%rbx,8),%eax
0x00007fffe102885d: push   %rax

// -- Done --

由于ldc指令除了加载String外，还可能加载int和float，如果是int，直接调用push压入表达式栈中，如果是float，则在表达式栈上开辟空间，然后移到到这个开辟的slot中存储。注意，float会使用%xmm0寄存器。

2、fast_aldc虚拟机内部字节码指令

下面介绍_fast_aldc指令，这个指令是虚拟机内部使用的指令而非虚拟机规范定义的指令。_fast_aldc指令的模板定义如下：

def(Bytecodes::_fast_aldc , ubcp|____|clvm|____, vtos, atos, fast_aldc ,  false );

生成函数为TemplateTable::fast_aldc(bool wide)，这个函数生成的汇编代码如下：

// 调用InterpreterMacroAssembler::get_cache_index_at_bcp()函数生成
// 获取字节码指令的操作数，这个操作数已经指向了常量池缓存项的索引，在字节码重写
// 阶段已经进行了字节码重写
0x00007fffe10243d0: movzbl 0x1(%r13),%edx

// 调用InterpreterMacroAssembler::load_resolved_reference_at_index()函数生成

// shl表示逻辑左移，相当于乘4,因为ConstantPoolCacheEntry的大小为4个字
0x00007fffe10243d5: shl    $0x2,%edx

// 获取Method*
0x00007fffe10243d8: mov    -0x18(%rbp),%rax
// 获取ConstMethod*
0x00007fffe10243dc: mov    0x10(%rax),%rax
// 获取ConstantPool*
0x00007fffe10243e0: mov    0x8(%rax),%rax
// 获取ConstantPool::_resolved_references属性的值，这个值
// 是一个指向对象数组的指针
0x00007fffe10243e4: mov    0x30(%rax),%rax

// JNIHandles::resolve(obj)
0x00007fffe10243e8: mov    (%rax),%rax

// 从_resolved_references数组指定的下标索引处获取oop，先进行索引偏移
0x00007fffe10243eb: add    %rdx,%rax

// 要在%rax上加0x10，是因为数组对象的头大小为2个字，加上后
// %rax就指向了oop
0x00007fffe10243ee: mov    0x10(%rax),%eax

获取_resolved_references属性的值，涉及到的2个属性在ConstantPool类中的定义如下：

// Array of resolved objects from the constant pool and map from resolved
// object index to original constant pool index
jobject              _resolved_references; // jobject是指针类型
Array<u2>*           _reference_map;

关于_resolved_references指向的其实是Object数组。在ConstantPool::initialize_resolved_references()函数中初始化这个属性。调用链如下：

ConstantPool::initialize_resolved_references()  constantPool.cpp 　　 
Rewriter::make_constant_pool_cache()  rewriter.cpp  
Rewriter::Rewriter()                  rewriter.cpp
Rewriter::rewrite()                   rewriter.cpp
InstanceKlass::rewrite_class()        instanceKlass.cpp 
InstanceKlass::link_class_impl()      instanceKlass.cpp

后续如果需要连接ldc等指令时，可能会调用如下函数：（我们只讨论ldc加载String类型数据的问题，所以我们只看往_resolved_references属性中放入表示String的oop的逻辑，MethodType与MethodHandle将不再介绍，有兴趣的可自行研究）

oop ConstantPool::string_at_impl(
 constantPoolHandle this_oop, 
 int    which, 
 int    obj_index, 
 TRAPS
) {
  oop str = this_oop->resolved_references()->obj_at(obj_index);
  if (str != NULL)
      return str;

  Symbol* sym = this_oop->unresolved_string_at(which);
  str = StringTable::intern(sym, CHECK_(NULL));

  this_oop->string_at_put(which, obj_index, str);

  return str;
}

void string_at_put(int which, int obj_index, oop str) {
  // 获取类型为jobject的_resolved_references属性的值
  objArrayOop tmp = resolved_references();
  tmp->obj_at_put(obj_index, str);
}

在如上函数中向_resolved_references数组中设置缓存的值。

大概的思路就是：如果ldc加载的是字符串，那么尽量通过_resolved_references数组中一次性找到表示字符串的oop，否则要通过原常量池下标索引找到Symbol实例（Symbol实例是HotSpot VM内部使用的、用来表示字符串），根据Symbol实例生成对应的oop，然后通过常量池缓存下标索引设置到_resolved_references中。当下次查找时，通过这个常量池缓存下标缓存找到表示字符串的oop。

获取到_resolved_references属性的值后接着看生成的汇编代码，如下：

// ...
// %eax中存储着表示字符串的oop
0x00007fffe1024479: test   %eax,%eax
// 如果已经获取到了oop，则跳转到resolved
0x00007fffe102447b: jne    0x00007fffe1024481

// 没有获取到oop，需要进行连接操作，0xe5是_fast_aldc的Opcode
0x00007fffe1024481: mov    $0xe5,%edx　　

调用call_VM()函数生成的汇编代码如下：

// 调用InterpreterRuntime::resolve_ldc()函数
0x00007fffe1024486: callq  0x00007fffe1024490
0x00007fffe102448b: jmpq   0x00007fffe1024526

// 将%rdx中的ConstantPoolCacheEntry项存储到第1个参数中

// 调用MacroAssembler::call_VM_helper()函数生成
0x00007fffe1024490: mov    %rdx,%rsi
// 将返回地址加载到%rax中
0x00007fffe1024493: lea    0x8(%rsp),%rax

// 调用call_VM_base()函数生成
// 保存bcp
0x00007fffe1024498: mov    %r13,-0x38(%rbp)

// 调用MacroAssembler::call_VM_base()函数生成

// 将r15中的值移动到c_rarg0(rdi)寄存器中，也就是为函数调用准备第一个参数
0x00007fffe102449c: mov    %r15,%rdi
// Only interpreter should have to set fp 只有解释器才必须要设置fp
0x00007fffe102449f: mov    %rbp,0x200(%r15)
0x00007fffe10244a6: mov    %rax,0x1f0(%r15)

// 调用MacroAssembler::call_VM_leaf_base()生成
0x00007fffe10244ad: test   $0xf,%esp
0x00007fffe10244b3: je     0x00007fffe10244cb
0x00007fffe10244b9: sub    $0x8,%rsp
0x00007fffe10244bd: callq  0x00007ffff66b27ac
0x00007fffe10244c2: add    $0x8,%rsp
0x00007fffe10244c6: jmpq   0x00007fffe10244d0
0x00007fffe10244cb: callq  0x00007ffff66b27ac
0x00007fffe10244d0: movabs $0x0,%r10
// 结束调用MacroAssembler::call_VM_leaf_base()

0x00007fffe10244da: mov    %r10,0x1f0(%r15)
0x00007fffe10244e1: movabs $0x0,%r10

// 检查是否有异常发生
0x00007fffe10244eb: mov    %r10,0x200(%r15)
0x00007fffe10244f2: cmpq   $0x0,0x8(%r15)
// 如果没有异常发生，则跳转到ok
0x00007fffe10244fa: je     0x00007fffe1024505
// 有异常发生，则跳转到StubRoutines::forward_exception_entry()
0x00007fffe1024500: jmpq   0x00007fffe1000420

// ---- ok ----

// 将JavaThread::vm_result属性中的值存储到oop_result寄存器中并清空vm_result属性的值
0x00007fffe1024505: mov    0x250(%r15),%rax
0x00007fffe102450c: movabs $0x0,%r10
0x00007fffe1024516: mov    %r10,0x250(%r15)

// 结果调用MacroAssembler::call_VM_base()函数

// 恢复bcp和locals
0x00007fffe102451d: mov    -0x38(%rbp),%r13
0x00007fffe1024521: mov    -0x30(%rbp),%r14

// 结束调用InterpreterMacroAssembler::call_VM_base()函数
// 结束调用MacroAssembler::call_VM_helper()函数

0x00007fffe1024525: retq   

// 结束调用MacroAssembler::call_VM()函数，回到
// TemplateTable::fast_aldc()函数继续看生成的代码，只
// 定义了resolved点

// ---- resolved ----　　

调用的InterpreterRuntime::resolve_ldc()函数的实现如下：

IRT_ENTRY(void, InterpreterRuntime::resolve_ldc(
 JavaThread* thread, 
 Bytecodes::Code bytecode)
) {
  ResourceMark rm(thread);
  methodHandle m (thread, method(thread));
  Bytecode_loadconstant  ldc(m, bci(thread));
  oop result = ldc.resolve_constant(CHECK);

  thread->set_vm_result(result);
}
IRT_END

这个函数会调用一系列的函数，相关调用链如下：

ConstantPool::string_at_put()   constantPool.hpp
ConstantPool::string_at_impl()  constantPool.cpp
ConstantPool::resolve_constant_at_impl()     constantPool.cpp   
ConstantPool::resolve_cached_constant_at()   constantPool.hpp   
Bytecode_loadconstant::resolve_constant()    bytecode.cpp   
InterpreterRuntime::resolve_ldc()            interpreterRuntime.cpp 　　

其中ConstantPool::string_at_impl()函数在前面已经详细介绍过。

调用的resolve_constant()函数的实现如下：

oop Bytecode_loadconstant::resolve_constant(TRAPS) const {
  int index = raw_index();
  ConstantPool* constants = _method->constants();
  if (has_cache_index()) {
    return constants->resolve_cached_constant_at(index, THREAD);
  } else {
    return constants->resolve_constant_at(index, THREAD);
  }
}

调用的resolve_cached_constant_at()或resolve_constant_at()函数的实现如下：

oop resolve_cached_constant_at(int cache_index, TRAPS) {
    constantPoolHandle h_this(THREAD, this);
    return resolve_constant_at_impl(h_this, _no_index_sentinel, cache_index, THREAD);
}

oop resolve_possibly_cached_constant_at(int pool_index, TRAPS) {
    constantPoolHandle h_this(THREAD, this);
    return resolve_constant_at_impl(h_this, pool_index, _possible_index_sentinel, THREAD);
}

调用的resolve_constant_at_impl()函数的实现如下：

oop ConstantPool::resolve_constant_at_impl(
 constantPoolHandle this_oop,
 int index,
 int cache_index,
 TRAPS
) {
  oop result_oop = NULL;
  Handle throw_exception;

  if (cache_index == _possible_index_sentinel) {
    cache_index = this_oop->cp_to_object_index(index);
  }

  if (cache_index >= 0) {
    result_oop = this_oop->resolved_references()->obj_at(cache_index);
    if (result_oop != NULL) {
      return result_oop;
    }
    index = this_oop->object_to_cp_index(cache_index);
  }

  jvalue prim_value;  // temp used only in a few cases below

  int tag_value = this_oop->tag_at(index).value();

  switch (tag_value) {
  // ...
  case JVM_CONSTANT_String:
    assert(cache_index != _no_index_sentinel, "should have been set");
    if (this_oop->is_pseudo_string_at(index)) {
      result_oop = this_oop->pseudo_string_at(index, cache_index);
      break;
    }
    result_oop = string_at_impl(this_oop, index, cache_index, CHECK_NULL);
    break;
  // ...
  }

  if (cache_index >= 0) {
    Handle result_handle(THREAD, result_oop);
    MonitorLockerEx ml(this_oop->lock());  
    oop result = this_oop->resolved_references()->obj_at(cache_index);
    if (result == NULL) {
      this_oop->resolved_references()->obj_at_put(cache_index, result_handle());
      return result_handle();
    } else {
      return result;
    }
  } else {
    return result_oop;
  }
}

通过常量池的tags数组判断，如果常量池下标index处存储的是JVM_CONSTANT_String常量池项，则调用string_at_impl()函数，这个函数在之前已经介绍过，会根据表示字符串的Symbol实例创建出表示字符串的oop。在ConstantPool::resolve_constant_at_impl()函数中得到oop后就存储到ConstantPool::_resolved_references属性中，最后返回这个oop，这正是ldc需要的oop。

通过重写fast_aldc字节码指令，达到了通过少量指令就直接获取到oop的目的，而且oop是缓存的，所以字符串常量在HotSpot VM中的表示唯一，也就是只有一个oop表示。

C++函数约定返回的值会存储到%rax中，根据_fast_aldc字节码指令的模板定义可知，tos_out为atos，所以后续并不需要进一步操作。

HotSpot VM会在类的连接过程中重写某些字节码，如ldc字节码重写为fast_aldc，还有常量池的tags类型数组、常量池缓存等内容在《深入剖析Java虚拟机：源码剖析与实例详解》中详细介绍过，这里不再介绍。

第21篇-加载与存储指令之ldc与_fast_aldc指令（3）

iload会将int类型的本地变量推送至栈顶。模板定义如下：

def(Bytecodes::_iload , ubcp|____|clvm|____, vtos, itos, iload , _ );

iload指令的格式如下：

iload index

index是一个无符号byte类型整数，指向局部变量表的索引值。

生成函数为TemplateTable::iload()，反编译后的汇编代码如下：

// 将%ebx指向下一条字节码指令的首地址
0x00007fffe1028d30: movzbl 0x2(%r13),%ebx
// $0x15为_iload指令的操作码值
0x00007fffe1028d35: cmp $0x15,%ebx 
// 当下一条指令为iload时，直接跳转到done
0x00007fffe1028d38: je 0x00007fffe1028deb // done

// 0xdf为_fast_iload指令的操作码值
0x00007fffe1028d3e: cmp $0xdf,%ebx
// 将_fast_iload2指令移动到%ecx
0x00007fffe1028d44: mov $0xe0,%ecx
0x00007fffe1028d49: je 0x00007fffe1028d5a // rewrite

// 0x34为_caload指令的操作码
// _caload指令表示从数组中加载一个char类型数据到操作数栈
0x00007fffe1028d4b: cmp $0x34,%ebx
// 将_fast_icaload移动到%ecx中
0x00007fffe1028d4e: mov $0xe1,%ecx
0x00007fffe1028d53: je 0x00007fffe1028d5a // rewrite

// 将_fast_iload移动到%ecx中
0x00007fffe1028d55: mov $0xdf,%ecx

// -- rewrite --

// 调用patch_bytecode()函数
// 重写为fast版本，因为%cl中存储的是字节码的fast版本，%ecx的8位叫%cl 
0x00007fffe1028de7: mov %cl,0x0(%r13)

// -- done --

// 获取字节码指令的操作数，这个操作数为本地变量表的索引
0x00007fffe1028deb: movzbl 0x1(%r13),%ebx
0x00007fffe1028df0: neg %rbx
// 通过本地变量表索引从本地变量表中加载值到%eax中，
// %eax中存储的就是栈顶缓存值，所以不需要压入栈内
0x00007fffe1028df3: mov (%r14,%rbx,8),%eax

执行的逻辑如下：

image

假设现在有个方法的字节码指令流为连接3个iload指令，这3个iload指令前后都为非iload指令。那么重写的过程如下：

image

汇编代码在第一次执行时，如果判断最后一个_iload之后是非_iload指令，则会重写最后一个_iload指令为_fast_iload；第二次执行时，当第2个字节码指令为_iload，而之后接着判断为_fast_iload时，会更新第2个_iload为_fast_iload2。

执行_fast_iload和执行_fast_iload2都可以提高程序执行的效率，_fast_icaload指令也一样，下面详细介绍一下这几个指令。

1、_fast_iload指令

_fast_iload会将int类型的本地变量推送至栈顶。模板定义如下：

def(Bytecodes::_fast_iload , ubcp|____|____|____, vtos, itos, fast_iload , _ );

生成函数为TemplateTable::fast_iload() ，汇编代码如下：

0x00007fffe1023f90: movzbl 0x1(%r13),%ebx
0x00007fffe1023f95: neg %rbx
0x00007fffe1023f98: mov (%r14,%rbx,8),%eax

汇编代码很简单，这里不再过多说。

执行_fast_iload指令与执行_iload指令相比，不用再进行之前汇编介绍的那么多判断，也没有重写的逻辑，所以会提高执行效率。

2、_fast_iload2指令

_fast_iload2会将int类型的本地变量推送至栈顶。模板定义如下：

def(Bytecodes::_fast_iload2 , ubcp|____|____|____, vtos, itos, fast_iload2 , _ );

生成函数为TemplateTable::fast_iload2() ，汇编代码如下：

0x00007fffe1024010: movzbl 0x1(%r13),%ebx
0x00007fffe1024015: neg %rbx
0x00007fffe1024018: mov (%r14,%rbx,8),%eax
0x00007fffe102401c: push %rax
0x00007fffe102401d: movzbl 0x3(%r13),%ebx
0x00007fffe1024022: neg %rbx
0x00007fffe1024025: mov (%r14,%rbx,8),%eax

可以看到，此指令就相当于连续执行了2次iload指令，省去了指令跳转，所以效率要高一些。

3、_fast_icaload指令

caload指令表示从数组中加载一个char类型数据到操作数栈。

_fast_icaload会将char类型数组指定索引的值推送至栈顶。模板定义如下：

def(Bytecodes::_fast_icaload , ubcp|____|____|____, vtos, itos, fast_icaload , _ );

生成函数为TemplateTable::fast_icaload()，生成的汇编代码如下：

0x00007fffe1024090: movzbl 0x1(%r13),%ebx
0x00007fffe1024095: neg %rbx
// %eax中存储着index
0x00007fffe1024098: mov (%r14,%rbx,8),%eax
// %rdx中存储着arrayref
0x00007fffe102409c: pop %rdx 
// 将一个双字扩展后送到一个四字中,%rax中存储着index 
0x00007fffe102409d: movslq %eax,%rax 
// %rdx指向数组对象的首地址，偏移0xc后获取length属性的值 
0x00007fffe10240a0: cmp 0xc(%rdx),%eax 
0x00007fffe10240a3: mov %eax,%ebx
// 如果数组索引index等于数组的长度或大于数组长度时，那么跳转
// 到_throw_ArrayIndexOutOfBoundsException_entry抛出异常
0x00007fffe10240a5: jae 0x00007fffe100ff20
// 在指定数组arrayref中加载指定索引处index的值
0x00007fffe10240ab: movzwl 0x10(%rdx,%rax,2),%eax

可以看到，此指令省去了指令跳转，所以效率要高一些。

由于字数限制，《模板解释器解释执行Java字节码指令（下）》将在下篇中释出