Java 字節(jié)碼

Java 字節(jié)碼是 JVM 里面指令的型式, Java 的源碼經(jīng)過 Java 編譯器會(huì)形成 Java 字節(jié)碼，這的字節(jié)碼才能在 Java 虛擬機(jī)中運(yùn)行伏伐。

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一宠进、椀唐鳎基架構(gòu)

一個(gè)虛擬機(jī)有基于棧虛擬機(jī)（Stack based Virtual Machine）和 基于寄存器虛擬機(jī)（Register based Virtual Machine）之法， 它們的差別可以看這里掂为。

Java 的虛擬機(jī)是基于棧的, 它包含 PC 寄存器欲诺、 JVM 棧毅厚、堆和方法區(qū)

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注：圖片來自于 極客時(shí)間專欄《深入拆解 Java 虛擬機(jī)》

• PC 寄存器（program counter): Java 程序里面的每一個(gè)運(yùn)行的線程伴网，都有一個(gè) PC 寄存器存儲(chǔ)著當(dāng)前指令的地址动分。

• JVM 棧：對(duì)于每一個(gè)線程纠脾，棧 是用來存放局部變量、方法參數(shù)以及返回值的

• 堆：所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，存放著對(duì)象（類的實(shí)例化和數(shù)組）。對(duì)象由垃圾回收器進(jìn)行再分配

• 方法區(qū)：對(duì)于每一個(gè)加載的類，方法區(qū)里面都存放著方法的代碼茶行，以及符號(hào)表（對(duì)象或字段的引用）以及常量池中的常量

JVM 的棧是由一系列的 Frame 組成的看锉，它包含

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注：圖片來自JVM 內(nèi)部原理（六）— Java 字節(jié)碼基礎(chǔ)之一

• 一個(gè)局部變量數(shù)組(Local Variables), 索引從 0 到數(shù)組長(zhǎng)度減一趾诗。數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度由編譯器計(jì)算。除了 long 和 double 類型值需要兩個(gè)局部變量的空間存儲(chǔ)外，其他類型的值都可以存儲(chǔ)在一個(gè)局部變量里；

• 一個(gè)用來存儲(chǔ)中間變量的操作棧(Operand Stack)。該中間變量的作用充當(dāng)指令的操作數(shù)，或者存放方法調(diào)用的參數(shù)。它是一個(gè)后進(jìn)先出（LIFO）棧

二、JVM 數(shù)據(jù)類型

JVM 定義的數(shù)據(jù)類型有：

• 基本數(shù)據(jù)類型：
  • 數(shù)字類型

• boolean 類型

• returenAdress: 指令指針默蚌，指向一條虛擬機(jī)指令的操作碼

• 引用類型

  • 類類型 class type
  • 集合類型 array type
  • 接口類型 interface type

三、指令

Java 字節(jié)碼的指令有一個(gè) JVM 數(shù)據(jù)類型前綴和操作名組成，例如 idd 指令是由 "i" 表示 int 類型數(shù)據(jù)和 “add"相加操作組成，因此 iadd 表示對(duì) int 類型數(shù)值求和瞳秽。

根據(jù)指令的性質(zhì)，可以分為以下類型：

• 加載和存儲(chǔ)指令
• 運(yùn)算指令
• 轉(zhuǎn)移指令
• 對(duì)象創(chuàng)建和訪問指令
• 操作數(shù)棧管理指令
• 控制轉(zhuǎn)移指令
• 方法調(diào)用和返回指令
• 異常處理指令
• 同步指令

下面有詳細(xì)的說明

1.加載和存儲(chǔ)指令

加載和存儲(chǔ)指令用于數(shù)據(jù)在棧幀（Frame）中的局部變量數(shù)組（Local Variables）和操作棧（Operand Stack）之間來回傳輸连霉；

具體為:

• 將一個(gè)局部變量加載到操作棧： iload, xxxload
• 將一個(gè)數(shù)值從操作數(shù)棧存儲(chǔ)到局部變量表： istore, xxxstore
• 將一個(gè)常量加載到操作數(shù)棧：bipush, xxxpush, iconst_xxx, ladc_w, ladc2_w, aconst_null 等
• 擴(kuò)充局部變量表的訪問索引的指令： wide

例如：
例子1：
Calc.java 文件

public class Calc {
    public int calc(){
        int a = 100;
        int b = 200;
        int c = 300;
        return (a + b ) * c;
    }
}

通過命令

javac Calc.java

會(huì)生成 Calc.class 文件
然后在通過命令 javap 可以看到相應(yīng)的字節(jié)碼

javap -v Calc.class

相應(yīng)的字節(jié)碼

  public int calc();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        100
         2: istore_1
         3: sipush        200
         6: istore_2
         7: sipush        300
        10: istore_3
        11: iload_1
        12: iload_2
        13: iadd
        14: iload_3
        15: imul
        16: ireturn

執(zhí)行過程

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注：圖片來自于周志明《深入理解 Java 虛擬機(jī)》

2.運(yùn)算指令

運(yùn)算指令用于對(duì)兩個(gè)操作棧上的值進(jìn)行某種特定運(yùn)算，并把結(jié)果重新存入到操作棧頂箭阶。
分為兩類：對(duì)整形數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的指令和對(duì)浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的指令罩扇。

• 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

上面例子1中的執(zhí)行偏移地址13指令 iadd 就是將操作棧頂中兩個(gè)數(shù) 200 加上 100, 再把它的和 300 壓回棧滩届。

在除非指令（idiv, ldiv）以及求余指令（irem 和 lrem ）中命浴， 當(dāng)出現(xiàn)除數(shù)為零時(shí)會(huì)導(dǎo)致虛擬機(jī)拋出 ArithmeticException 異常

3.轉(zhuǎn)換指令

轉(zhuǎn)換指令可以將兩種不同的數(shù)值類型進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換月幌，一般用于顯示類型轉(zhuǎn)換
包含： i2b, i2c, i2s, l2i, f2i, f2l, d2i, d2l 和 d2f
其中 i 是 int, b 是 byte, c 是 char, s 是 short, l 是long, f 是 float, d 是 double 類型

例子2：
java 源碼

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
            long zz = 10000;
            int yy = (int)zz;
            int a = 1;
            int b = 2;
            int c = a + b;
        }
}

用 javap 生成的字節(jié)碼是

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=7, args_size=1
         0: ldc2_w        #2                  // long 10000l , 將常量 1000l 加載到操作棧
         3: lstore_1
         4: lload_1
         5: l2i         // 這里對(duì)應(yīng) int yy = (int)zz; 進(jìn)行強(qiáng)轉(zhuǎn)
         6: istore_3
         7: iconst_1
         8: istore        4
        10: iconst_2
        11: istore        5
        13: iload         4
        15: iload         5
        17: iadd
        18: istore        6
        20: return
}

4.對(duì)象創(chuàng)建與訪問指令

在 Java　中一切皆為對(duì)象，類實(shí)例和數(shù)組都是對(duì)象鳄虱，但是 Java 虛擬機(jī)對(duì)類實(shí)例和數(shù)組的創(chuàng)建與操作使用了不同的字節(jié)碼指令倍踪。

• 創(chuàng)建類實(shí)例的指令： new
• 創(chuàng)建數(shù)組的指令： newarray, anewarry, multianewarray
• 訪問類字段（static 字段）和實(shí)例字段（非 static 字段）的指令： getfield, putfield, getstatic, putstatic
• 把一個(gè)數(shù)組元素加載到操作棧的指令： baload, caload, saload, iaload, laload, faload, daload, aaload
• 把一個(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

例3：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        ByteTest byteTest = new ByteTest();
        byteTest.name = "zhangsan";
        byteTest.age = 13;

        String[] list = new String[1];
        list[0] = "one";
        int size = list.length;
    }

    public static class ByteTest{

        public static String name;

        public int age;
    }
}

生成的部分字節(jié)碼

 public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=3, locals=4, args_size=1
         0: new           #2                  // new 指令嫉到，new 一個(gè) ByteTest 對(duì)象
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method com/yxhuang/temp/Test$ByteTest."<init>":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: pop
        10: ldc           #4                  // String zhangsan
        12: putstatic     #5                  // 訪問 ByteTest 靜態(tài)字段 name
        15: aload_1
        16: bipush        13
        18: putfield      #6                  // 訪問 ByteTest 實(shí)例的字段 age
        21: iconst_1
        22: anewarray     #7                  // 創(chuàng)建數(shù)組
        25: astore_2
        26: aload_2
        27: iconst_0
        28: ldc           #8                  // String one
        30: aastore
        31: aload_2
        32: arraylength                     // 取數(shù)組的長(zhǎng)度
        33: istore_3
        34: return

5.操作數(shù)棧管理指令

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, dup_x2, dup2_x1, dup2_x2;
• 將棧最頂端的兩個(gè)數(shù)值互換： swap

其中 pop 是將棧頂一個(gè)元素出棧，pop2 是將棧頂?shù)膬蓚€(gè)元素出棧陌僵；

dup 是復(fù)制棧頂數(shù)值并將復(fù)制值壓入棧頂， dup2 是復(fù)制棧頂一個(gè)（對(duì)于 long 或 double 類型）或 兩個(gè)（非 long, double 類型）的數(shù)值彈出；

dup_x1 是復(fù)制棧頂?shù)闹挡蓚€(gè)復(fù)制值壓入棧頂正蛙，dup_x2 復(fù)制棧頂一個(gè)（對(duì)于 long 或 double 類型）或 兩個(gè)（非 long, double 類型）的數(shù)值并壓入棧頂蒂阱；

dup2_x1 是 dup_x1 的雙倍版本响委， dup2_x2 是 dup_x2 的雙倍版本夹囚；

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注：圖片來自于JVM 內(nèi)部原理（六）— Java 字節(jié)碼基礎(chǔ)之一

在 java 中 long 和 double 類型需要占用兩個(gè)存儲(chǔ)空間扇救，為了交換兩個(gè) double　值徽千，需要　dup2_x2

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6.控制轉(zhuǎn)移指令

控制轉(zhuǎn)移指令可以讓 Java 虛擬機(jī)有條件或無條件地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)行程序

• 條件分支

• 復(fù)合條件分支

  • tableswitch, 用于 switch 條件跳轉(zhuǎn)锨并， case 值連續(xù)（可變長(zhǎng)度指令）
  • lookupswitch, 用于 switch 條件跳轉(zhuǎn)露该， case 值不連續(xù)（可變長(zhǎng)度指令）

• 無條件分支

  • goto, 無條件跳轉(zhuǎn)

在 Java 虛擬機(jī)中，各種類型的比較最終都會(huì)轉(zhuǎn)化為 int 類型的比較第煮。

例4：

static int gt(int a, int b){
    if (a > b){
        return 1;
    } else {
        return -1;
    }
}

// 生成的字節(jié)碼
  static int gt(int, int);
    descriptor: (II)I
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: iload_0                 // 將 a 入棧 local[0]{a}
         1: iload_1                 // 將 b 入棧 local[1]解幼
         2: if_icmple     7         // 如果 local[0] <= local[1] 跳去 7 抑党，即 iconst_m1
         5: iconst_1     // 將 int 型 1 推送至棧頂
         6: ireturn      // 返回
         7: iconst_m1    // 將 int 型 -1 推送至棧頂
         8: ireturn      // 返回

注意上面的 if_icmple 指令是比較棧頂兩個(gè) int 型數(shù)值的大小，當(dāng)結(jié)果小于或等于0時(shí)跳轉(zhuǎn)撵摆， 與我們代碼中 a > b 剛好是相反的

例5：

 static int calc(int count){
        int result = 0;
        while (count > 0){
            result += count--;
        }
        return result;
    }
    
// 字節(jié)碼
 static int calc(int);
    descriptor: (I)I
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: iconst_0        // count 入棧
         1: istore_1
         2: iload_0
         3: ifle          16   // 當(dāng)棧頂數(shù)值小于或等于0時(shí)調(diào)到 16底靠， 即跳出 while 選好
         6: iload_1
         7: iload_0
         8: iinc          0, -1   // 自增或自減， 即 count--   
        11: iadd            // result+
        12: istore_1
        13: goto          2 // 回到 2
        16: iload_1
        17: ireturn

例6：

 static int calcSwitch(int type){
        int result = 0;
        switch (type){
            case 1:
                result = 10;
                break;
            case 2:
                result = 11;
                break;
        }
        return result;
    }

// 字節(jié)碼
static int calcSwitch(int);
    descriptor: (I)I
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=1
         0: iconst_0
         1: istore_1
         2: iload_0
         3: lookupswitch  { // 2
                       1: 28
                       2: 34
                 default: 37
            }
        28: bipush        10
        30: istore_1
        31: goto          37
        34: bipush        11
        36: istore_1
        37: iload_1
        38: ireturn

7.方法調(diào)用和返回指令

• invokevirtual 指令用于調(diào)用對(duì)象的實(shí)例方法特铝，根據(jù)對(duì)象的實(shí)際類型進(jìn)行分派暑中；
• invokeinterface 指令用于調(diào)用接口方法，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)象鲫剿，找出合適的方法進(jìn)行調(diào)用鳄逾；
• invokespecial 指令用于調(diào)用一些需要特效處理的實(shí)例方法，包括實(shí)例初始化方法牵素、私有方法和父類方法
• invokestatic 指令調(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)限定符所引用的方法严衬，并執(zhí)行該方法

8.異常處理指令

arthrow 指令是 Java 程序中顯式拋出異常的操作（throw 語句）

9.同步指令

同步一段指令集序列通常是由 Java 語言中的 synchroined 語句來表示， Java 虛擬機(jī)的指令集中有 monitorenter 和 monitorexit 兩條指令來支持 synchronizd.

例7：

  static void sycn(Object object){
       synchronized (object){

       }
   }
   
   // 相應(yīng)的字節(jié)碼
   static void sycn(java.lang.Object);
   descriptor: (Ljava/lang/Object;)V
   flags: ACC_STATIC
   Code:
     stack=2, locals=3, args_size=1
        0: aload_0
        1: dup
        2: astore_1
        3: monitorenter
        4: aload_1
        5: monitorexit
        6: goto          14
        9: astore_2
       10: aload_1
       11: monitorexit
       12: aload_2
       13: athrow
       14: return

每條 monitorenter 指令都必須有其對(duì)應(yīng)的 monitorexit 指令笆呆，上面例子中的 3 和 5 是對(duì)應(yīng)的请琳。9 是處理異常的，這是編譯器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)異常處理赠幕，同步指令也需要在異常的時(shí)候退出俄精，11 monitorexit 就是編譯器自動(dòng)生成在異常時(shí)退出的指令。

四榕堰、參考

1.【譯】如何閱讀 Java 字節(jié)碼

2. JVM 內(nèi)部原理（六）— Java 字節(jié)碼基礎(chǔ)之一

3. 周志明《深入理解 Java 虛擬機(jī)》