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本篇文章主要介绍了
[rbpf虚拟机-汇编和反汇编器]
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一、概述

该篇文章是rbpf汇编器和反汇编器代码块功能的整理。

(学习该虚拟机的目的是为了搞懂solana合约的执行方式,solana使用的rbpf是在该虚拟机上进行扩展。)

汇编器的作用是将机器指令转换为二进制操作码,反汇编器将二进制操作码数据转换为机器指令的形式进行显示。

二、主要功能

汇编和反汇编器主要实现以下功能：

1. 机器指令转二进制
   • 机器指令到初始指令结构体(Instruction)
   • 初始指令类到指令结构体(Insn)
   • 指令列表通过切片转换为二进制
2. 二进制转机器指令
   • 循环解析到机器指令

三、关键函数解析

3.1 汇编器

3.1.1 parse -转换为Instruction列表

pub fn parse(input: &str) -> Result<Vec<Instruction>, String> {
    //1.跳过零个或多个空格
    //2.这里的with 不关心((), ["mov", "add", "sub"]) 里的()
    let mut with = spaces().with(many(instruction()).skip(eof()));

    #[cfg(feature = "std")]
    {
        //根据with解析器去解析指令
        match with.easy_parse(position::Stream::new(input)) {
            Ok((insts, _)) => Ok(insts),
            Err(err) => Err(err.to_string()),
        }
    }
    #[cfg(not(feature = "std"))]
    {
        match with.parse(position::Stream::new(input)) {
            Ok((insts, _)) => Ok(insts),
            Err(err) => Err(err.to_string()),
        }
    }
}

在parse方法中,会将机器指令如:"move r1, 0"格式转换为:

[Instruction { name: "mov", operands: [Register(1), Integer(0)] }]

主要使用的是combine 转换库,在这里是根据空格和换行分割后,使用instruction()进行封装,instruction()方法内容如下:

n instruction<I>() -> impl Parser<I, Output = Instruction>
where
    I: Stream<Token = char>,
    I::Error: ParseError<I::Token, I::Range, I::Position>,
{
    //解析以特定分隔符分隔的多个元素。
    let operands = sep_by(operand(), char(',').skip(spaces()));

    (ident().skip(spaces()), operands, spaces()).map(|t| Instruction {
        name: t.0,
        operands: t.1,
    })
}

什么是combine?
combine 是一个基于解析器组合子（parser combinators）的库，它允许开发者通过组合简单的解析器来构建复杂的解析器。解析器组合子是一种函数式编程技术，通过将小的解析器组合起来，形成更大、更复杂的解析器。

combine文档

3.1.2 assemble_internal-转换为Insn

fn assemble_internal(parsed: &[Instruction]) -> Result<Vec<Insn>, String> {
    let instruction_map = make_instruction_map();
    let mut result: Vec<Insn> = vec![];

    //循环parsed列表 (parsed来自parse方法返回值)
    for instruction in parsed {
        //获取命令名称
        let name = instruction.name.as_str();
        //匹配类型和opcode
        match instruction_map.get(name) {
            Some(&(inst_type, opc)) => {
                match encode(inst_type, opc, &instruction.operands) {
                    //匹配成功后返在结果内添加命令
                    Ok(insn) => result.push(insn),
                    //发生错误时,返回错误
                    Err(msg) => return Err(format!("Failed to encode {name}: {msg}")),
                }
                // Special case for lddw.
                // 当类型是imm类型时,对命令取高32位进行拼接
                if let LoadImm = inst_type {
                    if let Integer(imm) = instruction.operands[1] {
                        result.push(insn(0, 0, 0, 0, imm >> 32).unwrap());
                    }
                }
            }
            None => return Err(format!("Invalid instruction {name:?}")),
        }
    }
    Ok(result)
}

assemble_internal()作用是将parse()处理完成后的数据进行进一步的处理,处理成以下数据格式:

[Insn { opc: 183, dst: 1, src: 0, off: 0, imm: 0 }]

Insn数据为ebpf的指令格式.

  31      24 23     16 15      8 7       0
+--------+--------+--------+--------+
|    dst  |    src  |  offset  |  opcode |
+--------+--------+--------+--------+
|           immediate / address          |
+----------------------------------------+

然后通过切片extend_from_slice的方式将其转换为二进制格式。完整的转换代码如下:

pub fn assemble(src: &str) -> Result<Vec<u8>, String> {
    let parsed = (parse(src))?;
    //Ok([Instruction { name: "mov", operands: [Register(0), Integer(0)] }, Instruction { name: "add", operands: [Register(1), Integer(2)] }])
    let insns = (assemble_internal(&parsed))?;

    let mut result: Vec<u8> = vec![];
    for insn in insns {
        result.extend_from_slice(&insn.to_array());
    }
    Ok(result)
}

3.2 反汇编器

3.2.1 to_insn_vec-转换为机器指令

pub fn to_insn_vec(prog: &[u8]) -> Vec<HLInsn> {
    //验证程序是规定的8位
    if prog.len() % ebpf::INSN_SIZE != 0 {
        panic!(
            "[Disassembler] Error: eBPF program length must be a multiple of {:?} octets",
            ebpf::INSN_SIZE
        );
    }
    //验证是否为空
    if prog.is_empty() {
        return vec![];
    }
    let mut res = vec![];
    let mut insn_ptr: usize = 0;

    //循环遍历指令
    while insn_ptr * ebpf::INSN_SIZE < prog.len() {
        let insn = ebpf::get_insn(prog, insn_ptr);
        let name;
        let desc;
        let mut imm = insn.imm as i64;

        match insn.opc {
          ebpf::LD_ABS_B => {
                name = "ldabsb";
                desc = ldabs_str(name, &insn);
            },
          ......
    }
    res
}

在to_insn_vec方法代码中使用循环的方式对每个二进制指令(8位),根据每条指令的opcode码进行转换,转换为字符串格式的机器指令(desc)，其中包括对指令长度、是否为空进行检查。

四、总结

通过上述对源码进行解读,可以看到汇编器和反汇编器在虚拟机中起着重要的作用，允许开发者直接编写与 eBPF 架构兼容的指令。通过汇编器，这些指令被翻译成内核能够理解和执行的二进制形式。

代码来源:rbpf虚拟机
鸣谢: qmonnet 提供的开源代码.

当然,我也会将带有中文注释和自己理解的一些代码上传的我的github页面,感兴趣的朋友可以进行clone查看.

我的GitHub:forked

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