1. Dalvik仮想マシンの
アーキテクチャ
僻地からの出稼ぎプログラマ
kmt-t

2. 自己紹介
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
･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
･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…

3. 発表の構成
Dalvik仮想マシン3部作
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 ←今回はここの発表
2. Dalvik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
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
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
Java仮想マシンとの比較
Java仮想マシンはスタックマシン、 Dalvik仮想マシンはレジスタマシン
･スタックマシンとは何か？
･レジスタマシンとは何か？
･両者の比較とトレードオフをはっきりさせる
インタープリタの設計
Dalvik仮想マシンで採用されているスレッドインタープリタとは何か？
参考文献
Java仮想マシン仕様 (ISBN:489471356X)

5. Java仮想マシン
スタックマシン
スタックマシンの基本動作
スタックマシンの基本動作
スタックマシンは演算を行うための「オペランドスタック」を持つ
1. 演算に使う値をオペランドスタックに積む
2. スタックから値をポップしてその値で演算をする
3. 演算結果をスタックに積む
Push Pop 演算
メモリ
値3 値3
値2 値2
値1 値1
オペランドスタック オペランドスタック

6. Dalvik仮想マシン
レジスタマシン
レジスタマシンの基本動作
レジスタマシンは演算を行うための「レジスタ」と呼ばれる領域を持つ
1. 演算に使う値をメモリからレジスタにコピーする
2. レジスタ上の値を演算し、レジスタに結果を保存する
3. 演算結果をメモリへコピーする
レジスタ6 メモリ
レジスタ5
レジスタ4
レジスタ3
レジスタ2 演算
レジスタ1
レジスタ

7. Dalvik仮想マシン
レジスタマシンの補足
Dalvik仮想マシンは特殊なレジスタマシン
･レジスタはメソッド呼び出し時にスタック領域に確保される
→確保されるレジスタは0~65535個までの可変数
･メソッド終了時にスタック領域に確保されたレジスタは開放される
･レジスタにはレジスタを識別する番号、「レジスタ番号」が割り振られる
･Dalvik仮想マシンのレジスタとは一般的にいわれるレジスタとは違い、
演算に使うメモリ領域をレジスタと呼んでいる
メソッドB R0 メソッドAから
成 メソッドB R1 メソッドB呼出
長 (VM-specific internal goop)
方 メソッドA R0
向
メソッドA R1
スタック

8. CPUの機械語や
仮想マシンバイトコードの基礎用語
最小の構成要素
機械語やバイトコードの命令には最低以下の情報が必要
･命令の種類を示す「オペコード」
･命令の演算対象となる値を示す「オペランド」
→オペランドにはレジスタ番号や即値が指定される
命令長
機械語やバイトコードの命令のバイナリサイズを「命令長」と呼ぶ
→スタックマシンとレジスタマシンとの比較の大きなポイント
ちなみに、命令長はCPU、仮想マシンごとに可変長のものと固定長の
ものと、どちらも存在する
･固定長 – MIPS/ARMなど
･可変長 – x86/Java仮想マシン/Dalvik仮想マシンなど

9. 仮想マシンバイトコード
命令のイメージ (架空の例)
たとえば
レジスタAとレジスタBを加算してレジスタCに格納する命令の例
オペコード オペランド オペランド オペランド
ADD レジスタ番号C レジスタ番号A レジスタ番号B
(8bit) (8bit) (8bit) (8bit)
命令長=32bit

10. Java仮想マシン
スタックマシンの特徴
特徴
･可変長命令フォーマット
･オペランドは8bit
･演算対象はオペランドスタックのトップと決まっている命令が多い
→この場合オペランドが省略可能
･オペランドスタックを操作するための命令が必要なケースがある
→そのため命令数がレジスタマシンにくらべて多くなるケースがある
まとめると
･バイトコードのサイズは小さい (オペランドが省略できるため)
･同じ処理をした場合の命令数はレジスタマシンにくらべて多い

11. Dalvik仮想マシン
レジスタマシンの特徴
特徴
･可変長命令フォーマット
･オペランドは8bit
･レジスタがオペランドとなる場合、オペランドサイズは最大16bitになる
→レジスタが最大65535個あるため
･命令は16bitでアライメントされている
･オペランドスタックを操作するための命令が不要である
まとめると
･バイトコードのサイズは大きい (オペランドが大きいため)
･同じ処理をした場合の命令数はスタックマシンにくらべて少ない

12. Dalvikバイトコードの命令長が
長い問題に対する対策
長い命令長
レジスタをオペランドとした場合、オペランドが巨大化
その対策
すべての命令の種類ですべてのレジスタを参照することをあきらめる
→参照するレジスタ番号を制限することによりオペランドを小さくする
命令により以下のレンジで参照できるレジスタ番号を制限
･レジスタ番号0～15 (オペランド4bit)
･レジスタ番号0～255 (オペランド8bit)
･レジスタ番号0～65535 (オペランド16bit)

13. なぜDalvik仮想マシンは
レジスタマシンなのか？
スタックマシンの欠点
･オペランドスタックを操作するための命令が必要なケースがある
→そのため命令数がレジスタマシンにくらべて多くなるケースがある
パフォーマンスの問題
･命令数が多いことによる「インタープリタでの」パフォーマンス低下
→インタープリタの設計と実装を理解すると理由がわかる
･JITコンパイラでは起こりにくい問題
→初期のDalvik仮想マシンはインタープリタのみであったのと関連？
→インタープリタのパフォーマンスを優先した可能性がある

14. 一般的なインタープリタの実装
擬似コードによる例
素朴に書くと擬似コードのようになる。実はオーバーヘッドが大きい。
→どの辺りがオーバーヘッドが大きいのか？
# INSTR = 現在実行中のバイトコード命令
# TBL = オペコードに対応した処理の関数テーブル
LOOP :
FUNC = TBL[INSTR->OPCODE]
CALL FUNC(INSTR) # 関数呼び出し
NEXT INSTR # 次の命令に移動する
GOTO LOOP # 繰り返し

15. 一般的なインタープリタの
問題点
重い処理が多い
･ジャンプが多い (ジャンプは最悪10CPUサイクル以上かかる処理)
1. 命令ごとにループを回す箇所のジャンプ
2.命令実行ルーチンに飛ぶためのジャンプ
→このジャンプはCPUによる最適化処理(分岐予測)が効かない
3. 命令実行ルーチンから戻るためのジャンプ
･テーブル参照がある
巨大なオーバーヘッド
バイトコード命令が単なる加算である場合は、それそのものの処理は
数CPUサイクルで完了するが、バイトコード命令ごとに発生する
インタープリタのオーバーヘッドは数十サイクル以上ある

16. Dalvik仮想マシンの
インタープリタの実装
擬似コードによる例
･スレッドインタープリタと呼ばれる方式
# 最初の命令処理ルーチンのアドレスをBASE_ADDRとする
# 各命令処理ルーチンの間隔は64バイトでアライメント
.ALIGN 64
OP_A :
… # ここで命令実行
NEXT INSTR # 次の命令に移動する
GOTO BASE_ADDR + 64 * INSTR->OPCODE
.ALIGN 64
OP_B :
… # ここで命令実行
NEXT INSTR # 次の命令に移動する
GOTO BASE_ADDR + 64 * INSTR->OPCODE
… # 以下繰り返し

17. Dalvik仮想マシン
インタープリタの改善点
重い処理が少ない
･ジャンプが命令実行ルーチンに飛ぶためのジャンプのみ
→ただしこのジャンプはCPUによる最適化処理(分岐予測)が効かない
･テーブル参照がない
→次の命令のジャンプ先を演算で算出できる
オーバーヘッドが低減
素朴なインタープリタとくらべるとオーバヘッドが数分の一

18. ちなみにJITコンパイラを使うと
重い処理がない
･命令実行のためにジャンプする必要がない
･テーブル参照はない
更に
･命令の「フェッチ(読み込み処理)」が不要
･命令の「デコード(命令の意味解釈処理)」が不要
まとめると
･速いのは当たり前
･実行するバイトコードの命令数の多い少ないはあまり関係ない

19. まとめ
要約
･実行するバイトコード命令ごとに発生するオーバーヘッドは大きい
･Dalvik仮想マシンではインタープリタを改良、改善している
･しかし依然として実行するバイトコード命令の数は少ないほうが良い
まとめ
･バイナリサイズはJava仮想マシンの方がだいぶん小さい
･実行速度はDalvik仮想マシンの方が高速にできる「かもしれない」
→インタープリタのパフォーマンスでは有利
→JITコンパイラを採用するとどちらが有利か微妙

20. おわり
ご清聴ありがとうございました