從X86指令深扒JVM的位移操作

PerfMa發表於2020-05-19
JVM
本文來自: PerfMa技術社群

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概述

之所以會寫這個，主要是因為最近做的一個專案碰到了一個移位的問題，因為位移操作溢位導致結果不準確，本來可以點到為止，問題也能很快解決，但是不痛不癢的感覺著實讓人不爽，於是深扒了下箇中細節，直到看到Intel的指令規約才算釋然，希望這篇文章能引起大家共鳴。

本文或許看起來會比較枯燥，不過其實認真看挺有意思的，如果實在看不下去，告訴你一個極簡路徑，先看下下面的Demo，然後直接跳到後面的小結，如果懂了，別忘記順便點個贊，請叫我雷鋒，哈哈。

Demo

還是從一個簡單的例子說起

image.png

大家可以嘗試做幾個改變，看看結果怎樣

  • 4 << shift改成4L << shift
  • 將35改成291，PS：提示一下291=25+256*1

如果上面的各種結果你都能解釋，那說明你對位移操作還是有一定了解的，不過本文主要從JVM到Intel X86_64指令角度來分析這個問題，或許也值得一看

JVM裡4和4L的區別

要知道區別，我們看doShiftL方法通過javac編譯出來的指令有什麼不一樣

4 << shift的位元組碼

 0: iconst_4
 1: iload_0
 2: ishl

4L << shift的位元組碼

 0: ldc2_w        #34    // long 4l
 3: iload_0
 4: lshl

針對4和4L的區別，我們看到了兩條不同的指令，分別是iconst_4和ldc2_w，其實如果我們將4改成其他的值，可能會有不一樣的指令出現

  • -1<= x <=5: iconst_x
  • -128<= x <-1 || 5< x <=127：bipush
  • -32768 <= x < -128 || 127 < x <= 32767：sipush
  • -32768 > x || x > 32767：ldc

不過這些都不是我們今天的重點，不想細說了，就以iconst_4為例來簡單介紹下

iconst_4

先看iconst_4的大概彙編指令如下

image.png

重點看0x00007fcb529b0b30這條就是將0x4移到EAX暫存器裡，這是一個32位的暫存器，需要注意的是這裡並沒有直接將4 push到運算元棧上，而是在下一條指令(也就是iload_0)執行的時候才預先push到棧上，後面看iload_0的彙編程式碼可知

ldc2_w

ldc2_w是將long或者double的常量值從常量池推到運算元棧頂，其大概彙編指令如下

image.png

重點看0x00007fcb529b1990這條開始，主要就是從常量池裡取出相關的值，然後push到運算元棧上(看0x00007fcb529b19c2這行開始的接下來三行)

因此做一個小結：

  • iconst_4：將4存入到EAX暫存器，但是此時還並沒有將4 push到運算元棧頂
  • ldc2_w：將後面跟著的值(其實也就會4)，存到RAX暫存器，並且將其push到運算元棧頂

著重注意下上面兩條指令使用的兩個暫存器是不一樣的，一個是EAX，一個是RAX，其中RAX是64位暫存器，而EAX是RAX暫存器的低32位，是一個32位暫存器

不過還沒結束，對於iconst_4這種情況，什麼時候將4 push到棧上呢，那接下來我們看看iload_0這條指令，因為不管是iconst_4還是ldc2_w，後面都跟了iload_0，所以還是一起來看看這條指令

iload_0

iload_0的彙編實現大致如下：

image.png

這條指令簡單來說就是將方法的0號local槽裡的資料存到EAX暫存器裡，不過針對上一條指令是iconst_4，此時會先做一個push的動作，將RAX暫存器裡的值push到運算元棧上，但是如果是ldc2_w指令的話，就不會做push了，因為這兩條指令規定的執行完後的top of stack不一樣，iconst_4要求棧頂是一個int，而ldc2_w沒要求，儘管在實現裡確實將值push到了棧頂

因此在執行完iload_0之後，都已經將4 push到運算元棧頂了，並且將第一個local槽，其實就是doShiftL函式的shift引數存到了EAX暫存器裡，具體看上面的0x00007fcb529b1f0f位置的指令

JVM裡的位移操作

從上面的位元組碼裡我們看到，當我們位移的基數是4或者4L的時候，分別看到了兩條不同的位移指令，分別是ishl和lshl，這兩條指令一個是將int型的值左移一定位數，一個是將long型的值左移一定位數，那這兩條指令分別有什麼區別呢？

JVM裡ishl指令實現

先看定義

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對於ishl指令主要實現在iop2方法裡，並且傳遞一個引數shl

image.png

因此主要實現其實就是

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主要是將RAX暫存器裡的值(其實就是doShiftL函式的shift引數)存入到RCX暫存器裡(注意這裡用的movl，其實是用的32位暫存器)，然後將運算元棧頂的值(就是上述的4)存到RAX裡，並做shll操作!

image.png

那問題就來了，這裡的0xD3,0xE0到底是什麼鬼，不過我們能猜到是做的位移操作，那我們看看ishl完整的彙編程式碼

image.png

上述的0x00007fcb529b5930其實就應該是上面的Assembler::shll的輸出了，裡面有CL暫存器(RCX暫存器的低32位是ECX，而ECX的低8位是CL，這個關係清楚了吧)和EAX暫存器，看到這指令其實可以解釋了，CL暫存器因為是ECX暫存器的低8位，而我們從上面得知RCX裡存的其實是要位移的位數，也就是上面Demo裡的doShiftL函式的shift引數值，而EAX暫存器裡的值是運算元棧頂的值，也就是4

那現在的問題是明明我們就傳了一個RAX的暫存器給Assembler::shll，那怎麼操作起CL暫存器來了，這其實就是我想寫本文的根本原因，我想解釋這個現象，還想知道0xD3,0xE0到底是什麼鬼，於是找了intel指令手冊，看到SHL指令這樣的描述

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0xD3的二進位制表示是1101 0011,和上面的1101 001w是匹配的，這個w應該是如果是暫存器定址，那就是1吧

0xE0的二進位制表示是1110 0000,和上面的11 100 reg是匹配的，也就是reg佔3位，那問題是暫存器個數並不只有8個，因此超過8個的情況怎麼表示呢，那來看看encode的過程

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這裡的關鍵其實就是prefix的值了，通過設定prefix來看是否使用了普通暫存器之外的暫存器，這個大家網上可以找找相關資料看看，是X86的擴充套件64位技術

另外從上面的規範裡我們看到了CL暫存器，也就是shl命令本身就是和CL暫存器緊密結合實現的(其中一種定址方式而已)，另外將shel之後的結果存到EAX暫存器裡，再次提醒下是32位的暫存器，而和下面說的lshl的最大區別就是其使用的其實是64位的RAX暫存器，因此兩者表示的最大值顯然不一樣啦

JVM裡lshl指令實現

先看定義

image.png

lshl指令主要實現在lshl方法裡

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而pop_l的實現如下，使用了movq，也就是移動棧上的雙字(8byte=64位，用RAX暫存器存)到暫存器裡，注意上面的ishl使用的是movl，是移動長字到暫存器裡(即4byte=32位，正好用EAX暫存器存)，

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lshl的彙編實現：

image.png

從這裡也印證了確實用了RAX暫存器(請看0x00007fcb529b59b1)

總結

這篇文章因為涉及到太多的彙編指令，可能不少人看起來不是很明白，不過我覺得你可以多看幾遍啦，看多了也許就看懂了，不過實現看不下去沒關係，就看看小結吧

  • 當我們要位移的基數的型別是long的時候，其實是用64位的RAX暫存器來操作的，因此存的最大值(2^64-1)會更大，而如果基礎是int的話，會用32位的EAX暫存器，因此能存的最大值(2^32-1)會小點，超過了閾值就會溢位
  • 使用了8位的CL暫存器來存要位移的位數，因此最大其實就是2^8-1=255啦，所以上述demo，如果我們將shift的引數從35改成291發現結果是一樣的

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