Android* のシステムレベルの Java*/C++ コードのデバッグ

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この記事は、インテル® デベロッパー・ゾーンに掲載されている「Android* System-Level Java*/C++ Code Debugging」の日本語参考訳です。


1 はじめに

アプリケーション開発者は現在、Android* SDK を使って Eclipse* から Android* アプリケーション・プロジェクトの作成、ビルド、デバッグを行うことができます。しかし、Android* コードベースであるシステムレベルの Java*/C++ コードをデバッグする機能はありません。Android* SDK では、これらのコードをビルドしたり、デバッグできません。この記事では、Eclipse* で Android* のシステムレベルの Java*/C++ コードをデバッグする方法を説明します。

2 インストール

2.1 JDK のインストール

http://java.sun.com/javase/downloads/index.jsp (英語) から JDK6 (Java* SE 6 アップデート・パッケージ) をダウンロードします。
現在の JDK6 バージョンは jdk-6u32-linux-x64.bin です。ここでは、このバージョンを使用します。

JDK をインストールして、デフォルトの設定を使用します。

$ cd /usr/lib/jvm
$ sudo /path/to/jdk-6u32-linux-x64.bin
$ sudo ln -s jdk1.6.0_32 java-6-sun
$ export PATH=/usr/lib/jvm/java-6-sun/bin:$PATH
$ export JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/java-6-sun

2.2 Eclipse* のインストール

http://www.eclipse.org/downloads/ (英語) から Eclipse* 3.6.2 以上をダウンロードします。
現在の Eclipse Classic バージョンは 3.7.2 (Indigo) です。ここでは、このバージョンを使用します。

$ mkdir ~/android-sdk
$ cd ~/android-sdk
$ tar zxf /path/to/eclipse-SDK-3.7.2-linux-gtk-x86_64.tar.gz

2.3 Eclipse* CDT プラグインのインストール

C/C++ プロジェクトを作成し、C++ コードをデバッグするには、CDT プラグインをインストールする必要があります。
Eclipse* を起動します。

$ cd ~/android-sdk/eclipse/
$ ./eclipse

ファイアウォールが有効な場合は、[Window] > [Preferences] > [General] > [Network Connection] を選択して、図 1 に示すダイアログでプロキシーを設定します。

図 1. Eclipse* のプロキシー設定

[Help] > [Check for Updates] を選択して、最新の Eclipse* プラグインリストをダウンロードします。
[Window] > [Preferences] > [Install/Update] > [Available Software Sites] を選択して、次のサイトを有効にします。
http://download.eclipse.org/sequoyah/updates/2.0/

図 2. Eclipse* ソフトウェア・アップデート

[Help] > [Install New Software] を選択して、CDT プラグインをインストールします。
http://download.eclipse.org/sequoyah/updates/2.0/ を選択し、[Group items by category] チェックボックスをオフにしてから、[Select All] をクリックしてすべてのプラグインをインストールします。

図 3. Sequoyah プラグインのインストール

2.4 Android* SDK のインストール

http://developer.android.com/sdk/index.html (英語) から Android* SDK をダウンロードします。現在の Android* SDK バージョンは r18 です。ここでは、このバージョンを使用します。
Android* SDK をインストールします。

$ cd ~/android-sdk/
$ tar zxf /path/to/android-sdk_r18-linux.tgz

Android* パッケージ・マネージャーを起動して、Android* SDK パッケージをダウンロードします。

$ cd ~/android-sdk/android-sdk-linux/tools/
$ ./android

プロキシーを設定して、[Force https://…sources to be fetched using http://] チェックボックスをオンにします。

図 4. Android* SDK Manager のプロキシー設定

パッケージを選択してダウンロードします (Tools パッケージは必須です)。

図 5. Android* SDK アップデートのインストール

2.5 Android* ADT プラグインのインストール

Android* ADT (Android* Development Tool) をインストールします。
Eclipse* を起動します。

$ cd ~/android-sdk/eclipse/
$ ./eclipse

[Help] > [Install New Software] を選択して、表示されるダイアログで [Add Repository] ボタンをクリックします。
表示される [Add Repository] ダイアログで、[Name] に「ADT Plugin」と入力し、[Location] に次の URL を入力します。

https://dl-ssl.google.com/android/eclipse/

図 6. ADT プラグインのインストール

画面の指示に従って ADT プラグインをインストールします。
その後、[Window] > [Preference] > [Android] を選択し、[SDK location] に Android* SDK のパスを入力します。

図 7. Android* SDK の設定

2.6 Android* システム・デバッグ・ユーティリティーのインストール

Linux* ホスト上に次のパッケージを保存して展開します。

$ cd ~/android-sdk
$ tar zxf android-debug-utility.tar.gz

3 Android* のシステム Java* コードのデバッグ

3.1 system_process のデバッグ

プロセス system_process は、いわゆる Android* のシステムサーバーです。このプロセスは、システムの起動時に zygote によって生成されます。ここでは、Eclipse* を使ってこのプロセスをデバッグする方法を示します。

3.1.1 system_process 用の疑似 Android* プロジェクトの作成

DDMS (Dalvik Debug Monitor Server) は、Android* プロジェクト内のコードのみデバッグできます。しかし、system_process は、Android* プロジェクトではなく、Android* コードベースからビルドされています。Eclipse*/DDMS で system_process をデバッグするには、疑似 Android* プロジェクトを作成する必要があります。
[File] > [New] > [Project] で [Android project] を選択します。

図 8. Android* プロジェクトの作成

図 9. Android* パッケージ名

[AndroidManifest.xml] をクリックして、パッケージ名を system_process に変更します。

図 10. 変更後の Android* パッケージ名

3.1.2 DDMS による system_process のデバッグ

DDMS ビューに移動し、system_process を選択して、[Debug] ボタンをクリックします。

図 11. Android* DDMS ビュー

デバッグビューに移動し、デバッグするスレッドを選択して、[Suspend] ボタンをクリックします。

図 12. Android* デバッグビュー

Java* ソースコードのデバッグを行うには、Android* ソースの場所を指定する必要があります。[Edit Source lookup Path] ボタンをクリックし、表示されるダイアログで [Add] ボタンをクリックして、[File System Directory] を選択します。Android* の Java* コードは、主に frameworks/base ディレクトリーと libcore ディレクトリーに配置されています。

frameworks/base を選択します。

図 13. framework/base ソースパスの設定

libcore ディレクトリーも追加する必要があります。

図 14. libcore ソースパスの設定

エディターウィンドウに Java* コードが表示されます。

図 15. Android* プロジェクト・デバッガー

これで、Android* のシステムレベルの Java* コードでブレークポイントを設定し、デバッグする準備ができました。

3.2 Android* ビルトイン・アプリケーションのデバッグ

Android* には、カレンダー、設定、ギャラリーなど、多数のビルトイン・アプリケーション (システム・アプリケーションとも呼ばれる) があります。これらのプロジェクトは、Android* コードベースに含まれており、system.img と一緒にビルドされています。これらのプロジェクトをデバッグするには、system_process と同様に、疑似プロジェクトを作成する必要があります。その場合、前述のステップに従ってプロジェクトを作成し、パッケージ名を system_process の代わりに、アプリケーション名にします。

図 16. Android* アプリケーション・パッケージ名

DDMS に移動し、プロセス com.android.calendar を選択して [Debug] ボタンをクリックします。

図 17. デバッグするアプリケーションの選択

図 18. Android* アプリケーション・デバッガー

4 Android* のシステム C/C++ コードのデバッグ

4.1 system_process のデバッグ

通常、gdbserver/gdb で Android* のネイティブ C/C++ コードをデバッグできます。つまり、gdbserver を実行中のプロセスにアタッチして、gdb を使ってリモートでデバッグします。しかし、system_ process は、システムの起動時に zygote によって生成され、gdbserver をアタッチする前に初期化を完了してしまいます。最初から system_process をデバッグするには、android-debug-utility を使って system_process が最初から無限ループに入るように強制し、できるだけ早期に gdbserver をアタッチします。そして、system_process を無限ループから出し、実行を続けます。

4.1.1 C/C++ プロジェクトの作成

新しい C/C++ プロジェクトを作成するか、 前の節で作成した既存の Android* プロジェクト system_process を C/C++ プロジェクトに変換します。[File] > [New] > [Convert to a C/C++ Project] を選択し、表示されるダイアログで system_process プロジェクトを選択します。

図 19. Android* プロジェクトを C/C++ プロジェクトに変換

4.1.2 デバッグ構成の作成

デバッグビューで [Debug] ボタンをクリックし、[Debug Configurations] を選択します。[C/C++ Remote Application] でデバッグ構成を作成し、app_process バイナリーのパスを入力して、[Disable auto build] をオンにします。

図 20. デバッグするアプリケーション・イメージの設定

gdb* に正しいシンボル・ファイル・ディレクトリーを知らせるには、android-debug-utility のディレクトリーに移動し、gdb* 初期化スクリプト sdk_x86_gdb.setup を開いて、$android と $__board を Android* ルート・ディレクトリーとデバイス名に変更します。

shell echo set solib-absolute-prefix $android/out/target/product/$__board/symbols > 
tmp.gdb
shell              echo                   set                     solib-search-path 
$android/out/target/product/$__board/symbols/system/lib:$android/out/target/product/$
__board/symbols/system/lib/hw:$android/out/target/product/$__board/symbols/system/li
b/egl:$android/out/target/product/$__board/symbols/system/lib/soundfx:$android/out/tar
get/product/$__board/symbols/system/lib/bluez-plugin:$android/out/target/product/$__b
oard/symbols/system/vendor/lib/egl:$android/out/target/product/$__board/symbols/syste
m/vendor/lib/hw:$android/out/target/product/$__board/symbols/system/vendor/lib:$andr
oid/out/target/product/$__board/symbols/system/lib/parameter-framework-plugins/Audio:
$android/out/target/product/$__board/symbols/system/lib/soundfx:$android/out/target/p
roduct/$__board/symbols/system/usr/lib/alsa-lib >> tmp.gdb 
source tmp.gdb

あるいは、Eclipse* を起動する前に、次のコマンドを実行してこの 2 つの環境変数を export します。

$ export android=<android root directory>
$ export __board=<devicename>

デバッグビューで [Debug] ボタンをクリックし、[Debug Configurations] を選択し、[C/C++ Remote Application] のデバッグ構成の [Debugger] タブで sdk_x86_gdb.setup のパスを入力します。

図 21. gdb* 初期化スクリプトの設定

[Connection] タブでポート番号を 1234 に変更します。

図 22. gdb* デバッグポートの設定

4.1.3 system_process のデバッグ

Android* デバイスの電源を入れて、USB ケーブルでホストと接続します。system_process を再起動して、gdbserver をアタッチします。

$ cd ~/android-sdk/android-debug-utility/target
$ ./start_system_server.sh
zygote:115
killall: gdbserver: no process killed
killall: gdb: no process killed
/lib/gdbserver: No such file or directory
mkdir failed for /lib, File exists
push: ./lib/ld-linux.so.2 -> /lib/ld-linux.so.2
push: ./lib/system_server -> /lib/system_server
push: ./lib/libthread_db.so.1 -> /lib/libthread_db.so.1
push: ./lib/libpthread.so.0 -> /lib/libpthread.so.0
push: ./lib/libc.so.6 -> /lib/libc.so.6
push: ./lib/libreadline.so.5.2 -> /lib/libreadline.so.5.2
push: ./lib/libreadline.so.6 -> /lib/libreadline.so.6
push: ./lib/gdb -> /lib/gdb
push: ./lib/libdl.so.2 -> /lib/libdl.so.2
push: ./lib/app -> /lib/app
push: ./lib/libz.so.1 -> /lib/libz.so.1
push: ./lib/libm.so.6 -> /lib/libm.so.6
push: ./lib/libutil.so.1 -> /lib/libutil.so.1
push: ./lib/libexpat.so.1 -> /lib/libexpat.so.1
push: ./lib/libpython2.6.so.1.0 -> /lib/libpython2.6.so.1.0
push: ./lib/libcrypto.so.0.9.8 -> /lib/libcrypto.so.0.9.8
push: ./lib/service -> /lib/service
push: ./lib/libssl.so.0.9.8 -> /lib/libssl.so.0.9.8
push: ./lib/gdbserver -> /lib/gdbserver
push: ./lib/libncurses.so.5 -> /lib/libncurses.so.5
20 files pushed.0 files skipped.
1770 KB/s (10526293 bytes in 5.805s)
4 KB/s (440 bytes in 0.099s)

please connect to the system server via gdb remote

Attached; pid = 309

Listening on port 1234

adb でローカル TCP ポート 1234 を Android* デバイスへ転送します。

$ adb forward tcp:1234 tcp:1234

Eclipse* でデバッグビューに移動します。

[Debug] ボタンをクリックし、[Debug Configurations] を選択します。表示されるダイアログで system_process_1234 構成を選択し、[Debug] ボタンをクリックします。

図 23. C/C++ デバッガーの起動

gdb* が gdbserver に接続するまで待機します。

図 24. system_server の C/C++ デバッガー

タスクを中断して [Console] に移動し、コマンド thread 1 と go を入力します。これにより、タスクが無限ループから抜けます。

thread 1
[Switching to thread 1 (Thread 309)]
#0  setgid () at bionic/libc/arch-x86/syscalls/setgid.S:10
10      pushl   %ebx
go
system server in dead loop, trying to restore...done

ブレークポイントを設定して、コードをデバッグします。

4.2 Android* アプリケーションのデバッグ

system_process と同様に、Android* アプリケーションも zygote によって生成されます。そのため、main 関数を含む通常の C/C++ プログラムのように起動することはできません。Android* アプリケーションをデバッグするには、system_process と同様に、アプリケーションが開始時に無限ループに入るようにし、できるだけ早期に gdbserver をアタッチします。また、C/C++ プロジェクトとデバッグ構成を作成する必要があります。便宜上、ここでは、C/C++ プロジェクト system_process とデバッグ構成 system_process_1234 を再利用します。

4.2.1 Android* アプリケーションのデバッグ

Android* デバイスの電源を入れて、USB ケーブルでホストと接続します。start_app.sh スクリプトを実行します。

$ cd ~/android-sdk/android-debug-utility/target
$ ./start_app.sh
zygote:305
killall: gdbserver: no process killed
please launch the app

Android* ランチャーから Android* アプリケーションを起動するか、Eclipse* から Android* アプリケーションを実行します。アプリケーションに接続できることを示すメッセージが表示されます。

$ ./start_app.sh
zygote:305
killall: gdbserver: no process killed
please launch the app
please connect to the app 1362 via gdb remote
Attached; pid = 1362
Listening on port 1234

Eclipse* でデバッグビューに移動します。

[Debug] ボタンをクリックし、[Debug Configurations] を選択します。表示されるダイアログで system_process_1234 構成を選択し、[Debug] ボタンをクリックします。

図 25. C/C++ デバッガーの起動

gdb* が gdbserver に接続するまで待機します。

図 26. Android* アプリケーションの C/C++ デバッガー

タスクを中断して [Console] に移動し、コマンド thread 1 と go を入力します。

[New Thread 1374]
[Switching to Thread 1362]
thread 1
[Switching to thread 1 (Thread 1362)]
#0 0xb75cb343 in android::IPCThreadState::clearCallingIdentity (this=0x983d580) at frameworks/base/libs/binder/IPCThreadState.cpp:375
375 {
go
android app in dead loop, trying to restore...done

ブレークポイントを設定して、コードをデバッグします。

4.3 Android* サービスのデバッグ

Android* 初期化スクリプト init.rc では、システムの起動時に次のネイティブサービスが起動されます。

service mtpd /system/bin/mtpd
    class main
    socket mtpd stream 600 system system
    user vpn
    group vpn net_admin inet net_raw
    disabled
    oneshot

service keystore /system/bin/keystore /data/misc/keystore
    class main
    user keystore
    group keystore
    socket keystore stream 666

サービスは通常、C/C++ で記述されており、main() から呼び出されます。しかし、これらのサービスは初期化プロセスによって起動され、その動作は手動で実行した場合と異なります。これらのサービスをデバッグするには、start_service.sh スクリプトを使用します。また、C/C++ プロジェクトと C/C++ デバッグ構成を作成する必要があります。便宜上、ここでは、既存の system_process プロジェクトとデバッグ構成を使用します。

4.3.1 Android* サービスのデバッグ

使用方法: start_service.sh [ service name ]

ホスト上で次のコマンドを実行します。

$ cd ~/android-sdk/android-debug-utility/target
$ ./start_service.sh mtpd
init:1
killall: gdbserver: no process killed
killall: gdb: no process killed
5 KB/s (585 bytes in 0.099s)
please start the service: start mtpd

ターゲット上で次のコマンドを実行します。

# start mtpd

サービスをデバッグできるようになったことを示すメッセージがホスト上に表示されます。

user@ubuntu:~/android-sdk/android-debug-utility/target$ ./start_service.sh mtpd
init:1
killall: gdbserver: no process killed
killall: gdb: no process killed
5 KB/s (585 bytes in 0.099s)
please start the service: start mtpd
please connect to the app 1561 via gdb remote

ほかの Android* Java* アプリケーションと異なり、サービスはスタンドアロンの C/C++ アプリケーションであり、zygote と同じイメージ app_process を共有しません。そのため、デバッグ構成でサービスバイナリーの場所を指定する必要があります。

図 27. デバッグする Android* サービスバイナリーの設定

デバッグ構成 system_process_1234 でデバッガーを起動し、gdbserver に接続するのを待機します。

図 28. Android* サービスの C/C++ デバッガー

タスクを中断して [Console] に移動し、コマンド thread 1 と go を入力します。

thread 1
[Switching to thread 1 (Thread 1561)]
#0  0x08049663 in main (argc=1, argv=0xbf9a3d64) at external/mtpd/mtpd.c:155
155  {
go
android service in dead loop, trying to restore...done

ブレークポイントを設定して、コードをデバッグします。

5 Java と C/C++ のハイブリッド・コードのデバッグ

5.1 Java* からネイティブへのコールトレースの検証

場合によっては、Java* からネイティブへのすべてのコールトレースを検証することもあるでしょう。その場合、前述の Java* と C/C++ の両方のデバッグ手法が必要になります。

  1. start_system_server.sh スクリプトまたは start_app.sh スクリプトを使って、system_process とアプリケーションが無限ループに入るようにします。
  2. DDMS で、system_process またはアプリケーションにアタッチします。
  3. go コマンドを使って、system_process またはアプリケーションを無限ループから出します。
  4. ネイティブ関数で C/C++ ブレークポイントを切り替えます。
  5. loop コマンドを使って、ネイティブ関数が無限ループに入るようにします。
  6. しばらく実行させます。
  7. Android* デバッガーに移動し、スレッドを停止して、各スレッドのコールスタックを確認します。ネイティブ関数の呼び出し元 (無限ループにある) を特定します。

Java* コールトレースと C/C++ コールトレースを 1 つにまとめて、Java* からネイティブへの全体のコールトレースを確認します。
以下のケースでは、次のようなコールトレースになります。

Java*: WindowManagerService$Session.add-> SurfaceSession.init()->

C/C++: SurfaceSession_init()->android::SurfaceFlinger::createConnection()

system_process_1234 [C/C++ Remote Application]       
app_process [cores: 0,1]       
Thread [52] 10969 [core: 1] (Suspended : Container)       
Thread [51] 10968 [core: 1] (Suspended : Container)       
Thread [50] 10556 [core: 1] (Suspended : Container)       
Thread [49] 10547 [core: 1] (Suspended : Container)       
android::SurfaceFlinger::createConnection() at SurfaceFlinger.cpp:174 0x8643b728        
android::SurfaceComposerClient::onFirstRef() at SurfaceComposerClient.cpp:170 0x81f248b9       
android::RefBase::incStrong() at RefBase.cpp:304 0x8051e128       
sp() at RefBase.h:353 0x808711f3       
SurfaceSession_init() at android_view_Surface.cpp:109 0x808711f3       
dvmPlatformInvoke() at Call386ABI.S:133 0x8302be8f       
dvmCallJNIMethod_virtualNoRef() at Jni.c:1,849 0x8307505b       
dvmCheckCallJNIMethod_virtualNoRef() at CheckJni.c:158 0x83052741       
dvmInterpretDbg() at InterpC-portdbg.c:4,354 0x8304083d       
dvmInterpret() at Interp.c:1,335 0x83036521       
<...more frames...>      
<==
system_process [Android Application]       
DalvikVM[localhost:8600]       
Thread [<1> main] (Running)       
Thread [<50> Binder Thread #10] (Running)       
Thread [<49> Binder Thread #9] (Running)       
Thread [<47> Binder Thread #8] (Running)       
Thread [<44> Binder Thread #7] (Suspended)       
SurfaceSession.init() line: not available [native method]       
SurfaceSession.<init>() line: 29       
WindowManagerService$Session.windowAddedLocked() line: 5774       
WindowManagerService$WindowState.attach() line: 6107       
WindowManagerService.addWindow(WindowManagerService$Session, IWindow, WindowManager$LayoutParams, int, Rect, InputChannel) line: 1914       
WindowManagerService$Session.add(IWindow, WindowManager$LayoutParams, int, Rect, InputChannel) line: 5664       
WindowManagerService$Session(IWindowSession$Stub).onTransact(int, Parcel, Parcel, int) line: 68       
WindowManagerService$Session.onTransact(int, Parcel, Parcel, int) line: 5636       
WindowManagerService$Session(Binder).execTransact(int, int, int, int) line: 320       

NativeStart.run() line: not available [native method]

5. IPC コールトレースの検証

Android* プロセス間通信 (IPC) は、バインダーにより実装されます。1 つのタスクは 1 つの関数を呼び出します。関数は別のタスクによって実行されることがあり、その場合は実行タスクから結果を受け取ります。場合によっては、IPC 呼び出しで、複数のタスクにわたるコールトレース全体を検証することもあるでしょう。幸い、バインダー IPC は同期処理なので、 呼び出し先のタスクが完了していない場合、呼び出し元のタスクはリターンしません。そのため、呼び出し先タスクが無限ループに入るようにすると、呼び出し元タスクは IPC 呼び出しでブロックされます。これにより、呼び出し元と呼び出し先の両方のタスクのコールトレースを検証することができます。

両方のタスクを検証するには、それぞれのタスクに 1 つずつ、計 2 つの gdbserver/gdb セッションを起動する必要があります。別の C/C++ プロジェクト system_process_2 と、デバッガー TCP ポート 1235 を使用する別のデバッグ構成を作成します。

  1. 5.1 のステップに従って、最初にデバッグ構成 system_process_1234 で 1 つ目のタスクに接続します。
  2. 次に、デバッグ構成 system_process_1235 で 2 つ目のタスクに接続します。

注: start_app.sh でデバッガーが監視するポートを 1234 から 1235 に変更し、adb でローカルポート 1235 をデバイスに転送します。

  1. 呼び出し先タスクが無限ループに入るようにするか、特定の関数にブレークポイントを設定してから、中断されるまで実行します。
  2. 2 つのタスクのコールトレースを検証します。

これで、呼び出し元タスクと呼び出し先タスクのすべてのコールトレースが確認できます。さらに、Java* デバッガーをアタッチすると、すべての IPC コールトレースで Java* トレースも確認できます。

著者紹介

Jack Ren
インテル コーポレーションのモバイル・コンピューティング・グループ (MCG) Android* エンジニアリング・チームに所属する Android* アーキテクト。Linux* カーネルから Android* ソフトウェア・スタックまで、Linux* 開発において 8 年の経験があります。MCG Android* 上海チームを設立し、初代マネージャーとして、 2 年前にゼロからスタートし商品化に至るまでの MCG Android* ソフトウェア開発の飛躍的な成長を見届けてきました。現在は、インテルの MCG/PSI Android* 開発チームの主力メンバーとして、LLVM、Dalvik、UX、Google へのインテルのパッチのアップストリーミングなど、Android* の技術分野に従事しています。

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