二進制翻譯中系統(tǒng)庫函數(shù)的分類處理方法

摘要：如何處理庫函數(shù)調(diào)用問題直接關(guān)系到二進制翻譯系統(tǒng)的性能。提出了一種系統(tǒng)庫函數(shù)的分類處理方法，成功地解決了二進制翻譯系統(tǒng)中的庫函數(shù)調(diào)用處理問題。

關(guān)鍵詞：二進制翻譯； 系統(tǒng)庫函數(shù)； 普通庫函數(shù)； 特殊庫函數(shù)

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)04－1057－03

二進制翻譯是代碼移植的重要方法之一，可以將一種指令集體系結(jié)構(gòu)(instruction set architecture，ISA)上的代碼翻譯到另一種ISA上運行。二進制翻譯的目的不僅僅是模擬源ISA，更高的目標是翻譯產(chǎn)生的代碼在目標ISA上運行的速度等同甚至超過源ISA的原有代碼。目前，二進制翻譯成為解決軟件移植問題的一個研究熱點。眾所周知，新開發(fā)的處理器如果其ISA不向前兼容，則會失去現(xiàn)有軟件的支持，影響其推廣和應用。這就迫使設計者使用寶貴的芯片空間來兼容老處理器，這樣既增加新處理器的復雜度和功耗，影響其主頻的提高，又阻礙了處理器的發(fā)展。二進制翻譯技術(shù)為新舊處理器架起了一座橋梁，將現(xiàn)有的軟件移植到新開發(fā)處理器上執(zhí)行，使得新處理器擺脫向前兼容的約束。

二進制翻譯可分為系統(tǒng)級翻譯和應用程序級翻譯。對于系統(tǒng)級翻譯，操作系統(tǒng)運行在它之上，它翻譯整個系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)，它需要考慮源機器和目標機器的各種特性，如硬件中斷、異常、端口映射等，比較復雜，并且需要硬件提供支持，否則效率將會嚴重下降；而對于應用程序級翻譯，它運行在目標機器操作系統(tǒng)之上，只需要翻譯用戶級應用程序，它的性能和實用性都優(yōu)于系統(tǒng)級翻譯，所以很多二進制翻譯系統(tǒng)均采用應用程序級翻譯，并且源和目標平臺的操作系統(tǒng)都是同一類操作系統(tǒng)（如類UNIX操作系統(tǒng)）。因此，對于這類二進制翻譯系統(tǒng)，如何處理庫函數(shù)調(diào)用問題直接關(guān)系到二進制翻譯系統(tǒng)的性能，庫函數(shù)調(diào)用處理得好，就能提高源二進制程序在目標機器上運行的速度；反之，則影響源二進制程序在目標機器上運行的速度。

目前，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)都開展了二進制翻譯和動態(tài)優(yōu)化的研究，如DEC公司開發(fā)的FX!32[1]、澳大利亞Queensland大學開發(fā)的UQBT[2]和UQDBT[3]、Sun Microsystems實驗室開發(fā)的Walkabout[4]、維也納技術(shù)大學開發(fā)的Bintrans[5]等。其中，對系統(tǒng)庫函數(shù)處理比較典型的是DEC公司開發(fā)的FX!32和Queensland大學開發(fā)的UQBT。FX!32采用模擬源系統(tǒng)傳參和返回值約定的方法對系統(tǒng)庫函數(shù)調(diào)用進行處理，存在一定的效率問題；UQBT對所有函數(shù)調(diào)用進行提升，但是對于那些無法提升的函數(shù)，它沒有進行任何處理，因此其適用面很窄。

本文提出了一種系統(tǒng)庫函數(shù)分類處理方法：對于普通庫函數(shù)，針對FX!32對系統(tǒng)庫函數(shù)調(diào)用處理存在的效率下降的問題和UQBT對系統(tǒng)庫函數(shù)調(diào)用處理存在的適用面窄的問題，識別和提升源系統(tǒng)二進制程序的普通庫函數(shù)調(diào)用，避免在處理庫函數(shù)調(diào)用時模擬源系統(tǒng)的調(diào)用約定，而是用目標機本地函數(shù)調(diào)用約定來處理庫函數(shù)調(diào)用，從而達到提高程序執(zhí)行效率的目的。對于源系統(tǒng)二進制程序的特殊庫函數(shù)，本文用模擬源系統(tǒng)傳參和返回值約定的方法對其進行處理，以保證處理的正確性。

1相關(guān)工作

FX!32是DEC公司開發(fā)的輪廓制導（profile－directed）的二進制翻譯器，目的是為了能將運行在(x86，WinNT)系統(tǒng)下的應用程序運行在(Alpha，WinNT)系統(tǒng)下。它結(jié)合靜態(tài)翻譯和動態(tài)模擬，具有正確性、高效而且透明的特點。并通過對本地系統(tǒng)庫函數(shù)包裝（jacket），使得x86的應用程序可以調(diào)用Alpha本地的系統(tǒng)庫函數(shù)。具體過程是每一個jacket都包含一條非法的x86指令，通知解釋器切換到正確的Alpha本地代碼。大多數(shù)jacket的基本操作是根據(jù)Alpha的調(diào)用約定，將x86棧中的參數(shù)移到對應的Alpha寄存器。一些jacket還要對被調(diào)程序語義進行修改，如系統(tǒng)庫函數(shù)GetSystemDirector的jacket返回的是x86的系統(tǒng)路徑，而不是實際的系統(tǒng)路徑，這樣x86的應用程序才不會覆蓋本地的Alpha動態(tài)鏈接庫。這種方法可以準確地處理x86程序?qū)ο到y(tǒng)庫函數(shù)調(diào)用的問題，但其最大的缺陷就是效率下降問題。由于需要模擬x86的堆棧，在進行系統(tǒng)庫函數(shù)調(diào)用之前，需要將參數(shù)壓入到模擬堆棧中；之后又要將參數(shù)取出放入到目標機的傳參寄存器和堆棧中，顯然將參數(shù)壓入到模擬堆棧中完全是多余的，影響程序的執(zhí)行效率。

UQBT是Queensland大學開發(fā)的可變源和可變目標的二進制翻譯框架。它使用到達定值分析和活躍性分析來恢復過程調(diào)用的參數(shù)和返回值的信息，使用過程抽象語言識別源程序的高層寄存器傳輸表示（HRTL）中的參數(shù)和返回值地址，使用活躍性分析找出實際的參數(shù)和返回值，然后生成相應C語言語句，最后由C編譯器生成目標機器代碼。它的優(yōu)點在于提升了源程序中的每一個函數(shù)調(diào)用，性能比較高，但是源系統(tǒng)中有許多函數(shù)是無法提升的，如系統(tǒng)庫函數(shù)_setjmp和longjmp，它們用來實現(xiàn)函數(shù)間的非局部跳轉(zhuǎn)，不能用目標機器的_setjmp和longjmp來替代，只能模擬它在源系統(tǒng)中的語義，因而無法對其進行提升。UQBT對這些函數(shù)沒有進行任何處理，因此UQBT對于那些包含無法提升函數(shù)的二進制程序無能為力，其適用面很窄。

2系統(tǒng)庫函數(shù)的分類處理

2．1分類處理方法

根據(jù)系統(tǒng)庫函數(shù)和機器的相關(guān)性，可以將系統(tǒng)庫函數(shù)分為普通庫函數(shù)和特殊庫函數(shù)兩大類。所謂普通庫函數(shù)，就是那些沒有涉及機器具體特性，與目標機器本地庫函數(shù)語義相同，可以用目標機器本地庫函數(shù)調(diào)用來替代的系統(tǒng)庫函數(shù)，如fopen函數(shù)、malloc函數(shù)、sin函數(shù)等；特殊庫函數(shù)就是那些要么涉及程序代碼空間指針的操作，要么涉及機器相關(guān)的一些信息，無法用目標機器本地庫函數(shù)調(diào)用來替代的系統(tǒng)庫函數(shù)，如_setjmp和longjmp函數(shù)等。

本算法識別和提升源系統(tǒng)二進制程序的普通庫函數(shù)調(diào)用，避免在處理庫函數(shù)調(diào)用時模擬源系統(tǒng)的調(diào)用約定，而是用目標機本地函數(shù)調(diào)用約定來處理庫函數(shù)調(diào)用，從而達到提高程序執(zhí)行效率的目的。對于源系統(tǒng)二進制程序的特殊庫函數(shù)，用模擬源系統(tǒng)傳參和返回值約定的方法對其進行處理，以保證其處理的正確性。

2．1．1普通庫函數(shù)的處理

普通庫函數(shù)沒有涉及機器具體特性，在源機器上對普通庫函數(shù)的調(diào)用與在目標機器上對本地相應庫函數(shù)的調(diào)用所產(chǎn)生的語義相同；對程序輸入輸出的影響相同；對外設的影響也相同。因此可以用目標機器上對本地庫函數(shù)調(diào)用來替代源機器中對普通庫函數(shù)的調(diào)用。但是由于源機器和目標機器的硬件特性不同，應用程序二進制接口不同，不能直接用目標機器上對本地庫函數(shù)調(diào)用來替代源機器中對普通庫函數(shù)的調(diào)用。所以本文將源二進制程序中對普通庫函數(shù)的調(diào)用進行提升，按照目標機本地函數(shù)調(diào)用約定來處理庫函數(shù)調(diào)用，避免在處理庫函數(shù)調(diào)用時模擬源系統(tǒng)的調(diào)用約定。這樣就實現(xiàn)了用目標機器上對本地庫函數(shù)調(diào)用來替代源機器中對普通庫函數(shù)調(diào)用的目的。

對普通庫函數(shù)提升可分成四個步驟：

a）分析。分析源二進制程序中函數(shù)調(diào)用call指令調(diào)用的目標是否是普通庫函數(shù)。

b）參數(shù)處理。根據(jù)相應庫函數(shù)的形參說明，在二進制代碼中往前尋找傳參數(shù)的語句，如果查找成功，則刪除找到的那些傳參數(shù)指令翻譯后對應的本地碼，形成如下本地代碼：將這些參數(shù)按照目標機傳參約定放入到相應的寄存器和堆棧中。如果查找不成功，則提升失敗，用模擬源系統(tǒng)傳參和返回值約定的方法對其進行處理。具體見特殊庫函數(shù)的處理。

c）目標替代。調(diào)用本地系統(tǒng)庫函數(shù)。

d）返回值處理。按照目標機傳返回值約定取出返回值，然后按照源系統(tǒng)約定放入到目標機模擬源系統(tǒng)的模擬寄存器或內(nèi)存中。

當翻譯到第七條指令時，遇到call指令，這時進行上述算法的四個步驟：

a)分析。由于calloc函數(shù)沒有涉及機器具體特性，因此是普通庫函數(shù)，進行以下步驟。

b)參數(shù)處理。根據(jù)calloc函數(shù)的形參說明，可以知道calloc函數(shù)需要兩個整數(shù)參數(shù)，因此往前尋找壓棧指令，得到第五、六條指令是傳參指令。刪除第五、六條指令形成的本地碼，形成如下MIPS本地碼：

li a0，0x64;a0是MIPS機器用來傳遞第一個參數(shù)的寄存器

li a1，0x1;a1是MIPS機器用來傳遞第二個參數(shù)的寄存器

c)目標替代。用MIPS本地的calloc函數(shù)調(diào)用來替代源二進制代碼對calloc的調(diào)用，形成如下MIPS本地碼：

2．1．2特殊庫函數(shù)的處理

特殊庫函數(shù)要么涉及程序代碼空間指針的操作，要么涉及機器相關(guān)的一些信息，因此這些系統(tǒng)庫函數(shù)無法進行提升，故筆者采用模擬源系統(tǒng)傳參和返回值約定的處理方法對其進行處理。具體就是對每個特殊庫函數(shù)進行包裝，在包裝過程中根據(jù)它們的語義進行特殊處理，模擬源系統(tǒng)傳參和返回值約定，實現(xiàn)相應函數(shù)的特殊語義。當源二進制文件中出現(xiàn)對特殊庫函數(shù)的調(diào)用時，用包裝好的庫函數(shù)調(diào)用進行替代，進而實現(xiàn)程序的語義。

2．2算法性能分析

由于本算法識別和提升源系統(tǒng)二進制程序的普通庫函數(shù)調(diào)用，避免在處理庫函數(shù)調(diào)用時模擬源系統(tǒng)的調(diào)用約定，而是用目標機本地函數(shù)調(diào)用約定來處理庫函數(shù)調(diào)用，從而達到提高程序執(zhí)行效率的目的；對于源系統(tǒng)二進制程序的特殊庫函數(shù)，用模擬源系統(tǒng)傳參和返回值約定的方法對其進行處理，以保證其處理的正確性。相對于全部采用模擬源系統(tǒng)的調(diào)用約定的處理方法而言，節(jié)省了模擬源系統(tǒng)調(diào)用約定而帶來的不必要的開銷。下面以源系統(tǒng)為（x86，Linux），目標系統(tǒng)為（MIPS，Linux）的二進制翻譯器為例來分析本算法的性能。

源系統(tǒng)（x86）的系統(tǒng)庫函數(shù)調(diào)用基本上是如下形式：

3實驗數(shù)據(jù)

3．1實驗平臺

本文的實驗平臺DigitalBridge是從x86/Linux平臺到MIPS/Linux平臺的動態(tài)翻譯及優(yōu)化系統(tǒng)。其基本框圖如圖1所示。可以看到，DigitalBridge系統(tǒng)主要由BT控制器、文件加載模塊、解釋器、庫函數(shù)調(diào)用處理、動態(tài)信息管理、翻譯優(yōu)化器、代碼cache管理器、本地碼執(zhí)行器、MIPS代碼庫信息管理和后臺翻譯優(yōu)化器組成。

DigitalBridge所用的源平臺是x86/Linux，Pentium Ⅲ 613 MHz，256 MB內(nèi)存，Red Hat Linux 9.0；目標平臺是MIPS/Linux，2路600 MHz，1 GB內(nèi)存，Debian Linux 3.0。

3．2實驗數(shù)據(jù)

本文對CPU2000的整數(shù)測試集中的九個例子進行分析，得到它們靜態(tài)代碼中系統(tǒng)庫函數(shù)調(diào)用的次數(shù)以及它們動態(tài)運行時對系統(tǒng)庫函數(shù)調(diào)用的次數(shù)如表1所示。用本算法對普通庫函數(shù)進行提升，每次調(diào)用平均能節(jié)省七條指令，故可以得到它們用本算法處理后能節(jié)省的指令數(shù)量。

4結(jié)束語

本文提出了一種系統(tǒng)庫函數(shù)分類處理方法。它對普通庫函數(shù)都可以進行提升，但對那些不能用本算法進行提升的特殊庫函數(shù)，筆者用模擬源系統(tǒng)傳參和返回值約定的方法進行處理。今后可以考慮對這些系統(tǒng)庫函數(shù)進一步分析，提出一種更好的解決算法，以使本算法的適用性更廣。

參考文獻：

[1]ANTON C， MARK H， RAY H， et al. FX!32: a profile－directed binary translator[J]. IEEE Micro， 1998，18(2):56－64.

[2]CIFUENTES C， EMMERIK van M， UNG D， et al. Preliminary experiences with the use of the UQBT binary translation framework[C]//Proc of Workshop on Binary Translation.Washington DC:IEEE Computer Society， 1999:12－22.

[3]UNG D， CIFUENTES C. Machine－adaptable dynamic binary translation[C]//Proc of ACM SIGPLAN Workshop on Dynamic and Adaptive Compilation and Optimization. Boston: ACM Press， 2000: 30－40.

[4]IFUENTES C， LEWIS B， UNG D. Walkabout: a retargetable dyna－mic binary translation framework， CA94303[R]. Palo Alto: Sun Microsystems Laboratories.

[5]PROBST M.Fast machine－adaptable dynamic binary translation[C]//Proc ofWorkshop on Binary Translation. 2001.

“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”