本文是《深入理解Java虛擬機(jī)》中第六章的讀書筆記。

1、概述

在Class文件中，Java方法里的方法體，也就是代表著一個(gè)Java源碼程序中程序的部分存儲(chǔ)在方法表集合的Code屬性中。存儲(chǔ)在Code屬性中的是字節(jié)碼，也就是編譯后的程序。Java虛擬機(jī)的指令由兩部分組成，首先是一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度、代表某種含義的數(shù)字（即操作碼），在操作碼后面跟著零個(gè)或多個(gè)代表這個(gè)操作所需的參數(shù)（即操作數(shù)）。由于Java虛擬機(jī)采用的是面向操作數(shù)棧而不是寄存器的架構(gòu)，所以大多數(shù)指令不包含操作數(shù)，只有一個(gè)操作碼。

操作碼的長(zhǎng)度只有一個(gè)字節(jié)，這就限制了操作碼的個(gè)數(shù)不超過(guò)256個(gè)。同時(shí)，Class文件格式放棄了編譯后代碼的操作數(shù)長(zhǎng)度對(duì)齊，這就意味著虛擬機(jī)處理那些超過(guò)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，不得不在運(yùn)行時(shí)從字節(jié)中重建出具體數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。比如，如果要將一個(gè)兩個(gè)字節(jié)長(zhǎng)的無(wú)符號(hào)整數(shù)使用兩個(gè)無(wú)符號(hào)字節(jié)存儲(chǔ)起來(lái)分別是byte1和byte2，那么就需要這樣構(gòu)造出原始的無(wú)符號(hào)整數(shù)：

(byte1<<8) | byte2

這樣會(huì)在某種程度上導(dǎo)致執(zhí)行字節(jié)碼時(shí)損失一些性能。但這樣做也有好處，那就是由于不需要對(duì)齊，省去了中間的填充與間隔符號(hào)；用一個(gè)字節(jié)來(lái)表示操作碼，也是為了獲得短小的編譯代碼。這樣就盡可能的減少了編譯后的代碼的長(zhǎng)度，非常適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。

如果不考慮異常處理的話，那么Java虛擬機(jī)的解釋器可以使用下面的偽代碼作為基本的執(zhí)行模型來(lái)理解：

do{自動(dòng)計(jì)算PC寄存器的值加1;根據(jù)PC寄存器的指示位置，從字節(jié)碼流中取出操作碼;if(字節(jié)碼存在操作數(shù)) 從字節(jié)碼流中取出操作數(shù);執(zhí)行操作碼所定義的操作; }while(字節(jié)碼長(zhǎng)度>0);
2、字節(jié)碼與數(shù)據(jù)類型

在Java虛擬機(jī)的指令集中，大多數(shù)的指令都包含了操作所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型信息。比如iload指令表示從局部變量表中加載int型數(shù)據(jù)到操作數(shù)棧中，而fload表示加載float類型的數(shù)據(jù)。不過(guò)，這兩條指令再虛擬機(jī)的內(nèi)部可能是由同一段代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但在class文件中必須有自己的操作碼。

我們已經(jīng)知道Java指令的長(zhǎng)度只有一個(gè)字節(jié)，這就限制了指令集的大小。如果每個(gè)指令都像上面兩個(gè)指令那樣包含所有的數(shù)據(jù)類型，那么就有可能導(dǎo)致指令過(guò)多。因此，Java虛擬機(jī)的指令集對(duì)于特定的操作只提供了有限的類型相關(guān)指令去支持它。比如，大多數(shù)指令沒(méi)有支持整數(shù)類型byte、char和short，甚至沒(méi)有指令支持boolean類型。

這些指令中都有特殊的字符來(lái)表示專門支持的類型：i代表int類型，l代表long，s代表short，b代表byte，c代表char，f代表float，d代表double，a代表Reference。

這里僅僅介紹一下指令的種類以及作用，并不會(huì)過(guò)多的介紹各個(gè)指令的含義以及使用，需要的話可以查看《Java虛擬機(jī)規(guī)范（Java SE 7版）》。

3、加載和存儲(chǔ)指令

加載指令用于將局部變量表中的數(shù)據(jù)傳送到操作數(shù)棧中，而存儲(chǔ)指令用于將操作數(shù)棧中的結(jié)果傳送到局部變量表中。這類指令包括如下幾種：

• 將一個(gè)局部變量加載到操作棧，比如iload、iload<n>、fload、fload<n>、lload、lload<n>、dload、dload<n>、aload、aload<n>；
• 將一個(gè)數(shù)值從操作數(shù)棧存儲(chǔ)到局部變量表，比如istore、istore<n>、lstore、lstore<n>、fstore、fstore<n>、dstore、dstore<n>、astore、astore<n>；
• 將一個(gè)常量加載到操作數(shù)棧，比如bipush、sipush、ldc、ldc_w、ldc2_w、aconst_null、iconst_ml、iconst_<i>、lconst_<l>、fconst_<f>、dconst_<d>；
• 擴(kuò)充局部變量表的訪問(wèn)索引的指令：wide；

上面中帶尖括號(hào)的指令實(shí)際是一組指令。比如iload<n>，代表了iload_1、iload_2和iload_3。這幾組指令是某個(gè)帶操作數(shù)的指令（比如iload）的特殊形式，它們省略了操作數(shù)，不過(guò)操作數(shù)隱含在指令中。

4、運(yùn)算指令

運(yùn)算或算術(shù)指令用于對(duì)一個(gè)或兩個(gè)操作數(shù)棧上的值進(jìn)行某種特定的運(yùn)算，并將結(jié)果存入棧頂。大體上可以分為兩種，對(duì)整數(shù)進(jìn)行運(yùn)算的指令和對(duì)浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算的指令。不過(guò)，由于沒(méi)有支持byte、short、char和boolean的算術(shù)指令，對(duì)于這些數(shù)據(jù)的運(yùn)算，會(huì)把它們轉(zhuǎn)化為int類型進(jìn)行運(yùn)算。指令列出如下：

• 加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd；
• 減法指令：isub、lsub、fsub、dsub；
• 乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul；
• 除法指令：idiv、ldiv、fdiv、ddiv；
• 求余指令：irem、lrem、frem、drem；
• 取反指令：ineg、lneg、fneg、dneg；
• 位移指令：ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr；
• 按位或指令：ior、lor；
• 按位與指令：iand、land；
• 按位異或指令：ixor、lxor；
• 局部變量自增指令：iinc；
• 比較指令：dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp；

5、類型轉(zhuǎn)換指令

類型轉(zhuǎn)換指令用來(lái)將兩種不同類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這些轉(zhuǎn)換操作一般用于實(shí)現(xiàn)代碼中的顯示類型轉(zhuǎn)換操作，或者前面提到的字節(jié)碼指令集中數(shù)據(jù)類型相關(guān)指令無(wú)法與數(shù)據(jù)類型一一對(duì)應(yīng)的問(wèn)題。

虛擬機(jī)直接支持寬化類型轉(zhuǎn)換，即小范圍類型向大范圍類型的安全轉(zhuǎn)換，不需要顯示的轉(zhuǎn)換指令。

但是處理窄化類型轉(zhuǎn)換時(shí)，必須顯示使用轉(zhuǎn)換指令來(lái)完成，這些指令包括：i2b、i2c、i2s、l2i、f2l、d2i、d2l和d2f。這些指令可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)值的精度丟失。

6、對(duì)象創(chuàng)建與訪問(wèn)指令

雖然類實(shí)例和數(shù)組都是對(duì)象，但是虛擬機(jī)創(chuàng)建類對(duì)象和數(shù)組的指令是不同的。對(duì)象創(chuàng)建后，就可以通過(guò)對(duì)象訪問(wèn)指令獲取對(duì)象實(shí)例或者數(shù)組實(shí)例中的字段或數(shù)組元素，指令如下：

• 創(chuàng)建類實(shí)例的指令：new；
• 創(chuàng)建數(shù)組的指令：newarray、anewarray、multianewarray；
• 訪問(wèn)類字段和實(shí)例字段的指令：getfield、putfield、getstatic、putstatic；
• 把一個(gè)數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧的指令：baload、caload、saload、iaload、laload、faload、daload、aaload；
• 將一個(gè)操作數(shù)棧的值存儲(chǔ)到數(shù)組元素中的指令：bastore、castore、sastore、iastore、fastore、dastore、aastore；
• 取數(shù)組長(zhǎng)度的指令：arraylength；
• 檢查類實(shí)例類型的指令：instanceof、checkcast；

7、操作數(shù)棧管理指令

就像操作一個(gè)普通的棧一樣，Java虛擬機(jī)提供了一些用于直接操作操作數(shù)棧的指令，包括：

• 將操作數(shù)棧的棧頂一個(gè)或兩個(gè)元素出棧：pop、pop2；
• 復(fù)制棧頂一個(gè)或兩個(gè)數(shù)值并將復(fù)制值或雙份的復(fù)制值重新壓入棧頂：dup、dup2、dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2；
• 將棧頂最頂端的兩個(gè)數(shù)值互換：swap；

8、控制轉(zhuǎn)移指令

控制轉(zhuǎn)移指令可以讓Java虛擬機(jī)有條件或無(wú)條件的從指定的位置指令而不是控制轉(zhuǎn)移指令的下一條指令繼續(xù)執(zhí)行，可以理解為控制轉(zhuǎn)移指令改變了PC寄存器的值。指令如下：

• 條件分支：ifeq、iflt、ifle、ifgt、ifge、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、if_icmpgt、、if_icmpge、if_acmpeq和if_acmpne；
• 復(fù)合條件分支：tableswitch、lookupswitch；
• 無(wú)條件分支：goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret；

9、方法調(diào)用和返回指令

這里僅僅列出5條用于方法調(diào)用的指令：

• invokevirtual指令用于調(diào)用對(duì)象的實(shí)例方法，根據(jù)對(duì)象的實(shí)際類型進(jìn)行分派（虛方法分派），這也是Java語(yǔ)言中最常見的方法分派方式；
• invokeinterface指令用于調(diào)用接口方法，它會(huì)在運(yùn)行時(shí)搜索一個(gè)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口方法的對(duì)象，找出適合的方法進(jìn)行調(diào)用；
• invokespecial指令用于調(diào)用一些需要特殊處理的實(shí)例方法，包括實(shí)例初始化方法、私有方法和父類方法；
• invokestatic指令用于調(diào)用類方法（static方法）；
• invokedynamic指令用于在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)解析出調(diào)用點(diǎn)限定符索引用的方法，并執(zhí)行方法，前面4條指令的分派邏輯都固化在Java虛擬機(jī)內(nèi)部，而invokedynamic指令的分派邏輯是由用戶所設(shè)定的引導(dǎo)方法決定的；

方法調(diào)用指令與類型無(wú)關(guān)，但是方法返回指令是根據(jù)返回值的類型區(qū)分的，包括ireturn、lreturn、freturn、dreturn和areturn，另外還有一個(gè)return指令供聲明為void的方法、實(shí)例初始化方法以及類和接口的類初始化方法使用。

10、異常處理指令

在Java程序中顯式拋出異常的操作（throw語(yǔ)句）都是由athrow指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，除了用throw語(yǔ)句顯式拋出異常外，Java虛擬機(jī)規(guī)范還規(guī)定了許多運(yùn)行時(shí)異常會(huì)在其他Java虛擬機(jī)指令檢測(cè)到異常狀況時(shí)自動(dòng)拋出。

而在Java虛擬機(jī)中，處理異常（catch語(yǔ)句）不是由字節(jié)碼指令來(lái)完成的，而是采用異常表來(lái)完成的。

11、同步指令

Java虛擬機(jī)可以支持方法級(jí)的同步和方法內(nèi)部一段指令序列的同步，這兩種同步結(jié)構(gòu)都是使用管程（Monitor）來(lái)支持的。

方法級(jí)的同步是隱式的，即不需要通過(guò)字節(jié)碼指令來(lái)控制，它實(shí)現(xiàn)在方法調(diào)用和返回操作中。虛擬機(jī)可以從方法常量池的方法表結(jié)構(gòu)中的ACC_SYNCHRONIZED訪問(wèn)標(biāo)志得知一個(gè)方法是否聲明為同步方法。當(dāng)方法調(diào)用時(shí)，調(diào)用指令就會(huì)去檢查方法的ACC_SYNCHRONIZED訪問(wèn)標(biāo)志是否被設(shè)置了，如果設(shè)置，執(zhí)行線程就要求持有管程。在方法執(zhí)行期間，執(zhí)行線程持有了管程，其他任何線程都無(wú)法再獲取到同一個(gè)管程。如果一個(gè)方法在執(zhí)行期間發(fā)生了異常，并在方法中無(wú)法處理次異常，那么這個(gè)同步方法所持有的管程將在異常拋出后自動(dòng)釋放。

同步一段指令集序列通常是由Java語(yǔ)言中的synchronized語(yǔ)句塊表示的，Java虛擬機(jī)的指令集中有monitorenter和monitorexit指令來(lái)支持synchronized關(guān)鍵字的語(yǔ)義。正確實(shí)現(xiàn)synchronized關(guān)鍵字需要Javac編譯器和Java虛擬機(jī)兩者共同協(xié)作。編譯器必須保證每個(gè)monitorenter指令都有對(duì)應(yīng)的monitorexit指令。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java字节码指令简介的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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