Байт-код

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ошибка скрипта: Модуля «Unsubst» не существует. Байт-код (байтко́д; англ. Шаблон:Lang-en2, также иногда p-код, Шаблон:Langi-en2 от Шаблон:Langi-en2) — стандартное промежуточное представление, в которое может быть переведена компьютерная программа автоматическими средствами. По сравнению с исходным кодом, удобным для создания и чтения человеком, байт-код — это компактное представление программы, уже прошедшей синтаксический и семантический анализ. В нём закодированы типы, области видимости и другие конструкции. С технической точки зрения байт-код представляет собой машинно-независимый код низкого уровня, генерируемый транслятором из исходного кода.

Многие современные языки программирования, в особенности интерпретируемые, используют байт-код для облегчения и ускорения работы интерпретатора. Трансляция в байт-код является методом, промежуточным по эффективности между прямой интерпретацией и компиляцией в машинный код.

По форме байт-код похож на машинный код, но предназначен для исполнения не реальным процессором, а виртуальной машиной, в качестве которой обычно выступает интерпретатор соответствующего языка программирования, иногда дополненный JIT- или AOT-компилятором.Спецификации байт-кода и исполняющих его виртуальных машин могут сильно различаться для разных языков: часто байт-код состоит из инструкций для Шаблон:Нп5 виртуальной машины<ref name="parr09stack">Terence Parr. Language Implementation Patterns — Pragmatic Bookshelf, December 2009, ISBN 978-1-934356-45-6 «Part 3: Building Interpreters. Pattern 27 Stack-Based Bytecode Interpreter» Шаблон:Wayback</ref>, однако могут использоваться и регистровые машины<ref name="parr09reg">Terence Parr. Language Implementation Patterns — Pragmatic Bookshelf, December 2009, ISBN 978-1-934356-45-6 «Part 3: Building Interpreters. Pattern 28 Register-Based Bytecode Interpreter» Шаблон:Wayback</ref><ref name="virmshowdown-yshi2005">Шаблон:Статья</ref>. Тем не менее, большинство инструкций байт-кода обычно эквивалентны одной или нескольким командам ассемблера.

Название Байт-кода происходит от длины каждого кода операции, которая обычно составляет один байт. Каждая инструкция обычно представляет собой однобайтовый код операции (от 0 до 255), за которым могут следовать различные параметры, например, номер регистра или адрес в памяти.

Исполнение

Программа на байт-коде обычно выполняется интерпретатором байт-кода. Преимущество байт-кода в большей эффективности и портируемости: один и тот же байт-код может исполняться на разных архитектурах, для которых реализован интерпретатор. Такое же преимущество дают непосредственно интерпретируемые языки, однако, поскольку байт-код обычно менее абстрактен и более компактен, чем исходный код, эффективность интерпретации байт-кода обычно выше, чем чистая интерпретация исходного кода или интерпретация АСД. Кроме того, интерпретатор байт-кода зачастую проще интерпретатора исходного кода и его проще перенести (портировать) на другую аппаратную платформу.

В высокопроизводительных реализациях виртуальных машин может применяться комбинация интерпретатора и JIT-компилятора, который во время исполнения программы транслирует часто используемые фрагменты байт-кода в машинный код, применяя при этом различные оптимизации. Вместо JIT-компиляции может применяться AOT-компилятор, транслирующий байт-код в машинный код предварительно, до исполнения.

В то же время возможно создание процессоров, для которых данный байт-код является непосредственно машинным кодом (такие экспериментальные процессоры создавались, например, для языков Java и Форт).

История

Среди первых систем, использовавших байт-код, были O-code для BCPL (1960-е), Smalltalk (1976)<ref>Bringing Performanceand Scalability toDynamic LanguagesШаблон:Недоступная ссылка // Mario Wolczko, Oracle 2012 слайд 7</ref>, SIL (System Implementation Language) для языка Snobol-4 (1967), и p-код (p-code, 1970-е, при участии Никлауса Вирта) для переносимых компиляторов языка программирования Pascal<ref>Руслан Богатырев. Летопись языков Паскаль Шаблон:Wayback, Мир ПК, № 04/2001</ref><ref>Компиляторы: принципы, технологии и инструментарий Шаблон:Wayback — Вильямс, ISBN 9785845901897, стр 517 «12.2 Компиляторы Pascal»</ref><ref>THE UCSD P-SYSTEM MUSEUM Шаблон:Wayback, 2004</ref>.

Варианты p-кода широко использовались в различных реализациях языка Pascal, например, в UCSD p-System (UCSD Pascal).<ref name=msil2002/>

Применение

К интерпретируемым языкам, использующим байт-код, относятся Perl, PHP (например Zend Engine), Ruby (начиная с версии 1.9), Python, Erlang и многие другие.

Широко распространённые платформы, использующие байт-код<ref name=sharp-java-dobbs2001/>:

  • Байт-код Java (стековая виртуальная машина), исполняемый различными виртуальными машинами Java<ref>http://www.javaworld.com/article/2077233/core-java/bytecode-basics.html Шаблон:Wayback 1996</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>. Платформа была создана компанией Sun для языка Java, но стала использоваться и для других языков; существуют десятки высокопроизводительных реализаций JVM, использующих JIT-компиляторы;
    • Существуют варианты трансляции Java в байт-код регистровых машин, например, в виртуальной машине Dalvik (с JIT-компиляцией) или при AOT-компиляции в ART;
  • Платформа Microsoft .NET использует стековый байт-код Intermediate Language (CIL, MSIL)<ref name="msil2002">Understanding .NET: A Tutorial and Analysis Шаблон:Wayback, David Chappell, David Wayne Chappell, 2002, ISBN 9780201741629 page 92</ref>, исполняемый с помощью Common Language Runtime (CLR). Создана Microsoft для C# и некоторых других языков;
  • Сценарный язык JavaScript выполняется различными высокопроизводительными «движками», в основном, встроенными в веб-браузеры, часто с возможностью JIT-оптимизации. Многие интерпретаторы построены с применением байт-кода, однако программы на JavaScript распространяются в виде исходных кодов;
  • Сценарный язык ActionScript транслируется в стековый байт-код, распространяется в составе swf- и pdf-файлов, и выполняется виртуальными машинами в Adobe Flash и Adobe Acrobat.

Компилятор Clipper создает исполняемый файл, в который включен байт-код, транслированный из исходного текста программы, и виртуальная машина, исполняющая этот байт-код.

Программы на Java обычно компилируются в Шаблон:Нп3, содержащие байт-код Java. Эти универсальные файлы передаются на различные целевые машины.

В ранних реализациях Visual Basic (до версии 6) использовался высокоуровневый Microsoft p-code<ref name=sharp-java-dobbs2001>C# Versus Java Шаблон:Wayback / Dr. Dobb’s Journal February 2001</ref>.

Высокоуровневые p-коды и байт коды применялись в СУБД, некоторых реализациях Бейсика и Паскаля.

В стандарте открытых загрузчиков Open Firmware фирмы Sun Microsystems байт-код представляет операторы языка Форт.

Примеры

Python

Код: <source lang="python"> >>> print("Hello, World!") Hello, World! </source> Байт-код: <source lang="python"> >>> import dis #импортируем модуль "dis" - Disassembler of Python byte code into mnemonics. >>> dis.dis('print("Hello, World!")') 

 1           0 LOAD_NAME                0 (print)
             2 LOAD_CONST               0 ('Hello, World!')
             4 CALL_FUNCTION            1
             6 RETURN_VALUE

</source>

Java

Код: <syntaxhighlight lang="java"> outer: for (int i = 2; i < 1000; i++) { 

   for (int j = 2; j < i; j++) {
       if (i % j == 0)
           continue outer;
   }
   System.out.println(i);

} </syntaxhighlight> Байт-код: <syntaxhighlight lang="asm"> 

 0:   iconst_2
 1:   istore_1
 2:   iload_1
 3:   sipush  1000
 6:   if_icmpge       44
 9:   iconst_2
 10:  istore_2
 11:  iload_2
 12:  iload_1
 13:  if_icmpge       31
 16:  iload_1
 17:  iload_2
 18:  irem
 19:  ifne    25
 22:  goto    38
 25:  iinc    2, 1
 28:  goto    11
 31:  getstatic       #84; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
 34:  iload_1
 35:  invokevirtual   #85; //Method java/io/PrintStream.println:(I)V
 38:  iinc    1, 1
 41:  goto    2
 44:  return

</syntaxhighlight>

Критика

Обычно байт-код проектируется в стиле стековых виртуальных машин, что упрощает генерацию из AST, позволяет использовать более простую и компактную кодировку байт-кода, упростить интерпретатор и уменьшить количество машинного кода, требуемого для исполнения одной инструкции байт-кода. С другой стороны, такие варианты байт-кода для заданной программы содержат большее количество инструкций, чем байт-коды регистровых виртуальных машин, из-за чего интерпретатор должен совершить больше непрямых переходов, для которых плохо работает предсказание переходов<ref name="virmshowdown-yshi2005"/>. Байт-код для регистровых виртуальных машин имеет немного больший размер машинных кодов, однако количество инструкций по сравнению со стековым байт-кодом примерно в два раза меньше, а интерпретатор — быстрее на десятки процентов<ref name="virmshowdown-yshi2005"/>. Также байт-код стековых машин сложнее для проведения оптимизаций (выражения становятся неявными, связанные инструкции не сгруппированы, выражения распределены по нескольким базовым блокам)<ref name=saabas07>Шаблон:Статья: «virtual stack or virtual register VMs can be executed more efficiently using an interpreter. Virtual register machines can be an attractive alternative to stack architectures because they allow the number of executed VM instructions to be substantially reduced.»</ref> и требует верификации корректности использования стека<ref>Gerwin Klein and Martin Wildmoser, Verified Bytecode Subroutines Шаблон:Wayback // Journal of Automated Reasoning 30.3-4 (2003): 363—398. «Bytecode verification is a static check for bytecode safety. Its purpose is to ensure that the JVM only executes safe code: no operand stack over- or underflows, no ill-formed instructions, no type errors»</ref>.

Ошибки верификации байт-кода стековых машин приводили к появлению множества экстремально опасных уязвимостей, в частности десятков в виртуальной машине AVM2, используемой в Adobe Flash для исполнения скриптов ActionScript<ref>Mark Dowd (X-Force Researcher IBM Internet Security Systems), Leveraging the ActionScript Virtual MachineШаблон:Недоступная ссылка, IBM 2008 «if there was a way to execute AS3 instructions that had never been verified, it would be quite dangerous. Unverified instructions would be able to manipulate the native runtime stack … The attack works by manipulating a data structure used by the AVM2 verifier such that it doesn’t correctly verify the ActionScript instructions for a given method»</ref><ref>Haifei Li, Understanding and Exploiting Flash ActionScript Vulnerabilities Шаблон:Webarchive, 2011 «Bytecode -> Verification process … ActionScript Vulnerabilities are due to various program flow calculating errors in the Verification/Generation Process (the Verification Flow and the Execution Flow are not the same)»</ref><ref>Haifei Li (Microsoft), Inside AVM Шаблон:Wayback // REcon 2012, Montreal «Most Flash vulnerabilities are ActionScript-related … Faults on verification cause highly-dangerous JIT type confusion vulnerabilities. • highly-dangerous means perfect exploitation: bypassing ASLR+DEP, with %100 reliability, no heapSpray, no JITSpray. • JIT type confusion bugs are due to faults in the verification of AVM!»</ref> и нескольких в ранних популярных системах исполнения Java (JVM).<ref>The last stage of delirium research group, Java and Java Virtual Machine security vulnerabilities and their exploitation techniques Шаблон:Wayback, BlackHat 2002: «The flaw stemmed from the fact that Bytecode Verifier did not properly perform the bytecode flow analysis»</ref><ref>Verification of Bytecode in a Virtual machine Шаблон:Webarchive // International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering Vol.3 Issue 3 March 2013, ISSN 2277-128X: «Java byte code verification has been studied extensively from a correctness perspective, and several vulnerabilities have been found and eliminated in this process»</ref>

В конце 2000-х — начале 2010-х авторы компиляторов V8 (для языка JavaScript, часто реализуемого через байт-код)<ref>Шаблон:Cite web</ref> и Dart<ref>Шаблон:Cite web</ref> усомнились в том, что промежуточные байт-коды обязательны для быстрых и эффективных виртуальных машин. В этих проектах была реализована непосредственная JIT-компиляция (компиляция во время исполнения) из исходных кодов сразу в машинный код.<ref>Шаблон:Cite web</ref>

Примечания

Шаблон:Примечания Шаблон:Выполнение программы

Источник — https://camokathomelab.servebeer.com/mediawiki/index.php?title=Байт-код&oldid=19057