正文

一方庭、無關(guān)性的基石

1翩瓜、兩種無關(guān)性

• 平臺無關(guān)性： Java 程序的運行不受計算機平臺的限制跨扮，“一次編寫序无，到處運行”。
• 語言無關(guān)性： Java 虛擬機只與 Class 文件關(guān)聯(lián)衡创，并不關(guān)心 Class 文件的來源是何種語言帝嗡。

2、無關(guān)性的實現(xiàn)基礎(chǔ)

• 各種不同平臺的虛擬機
• 所有平臺都統(tǒng)一使用的字節(jié)碼存儲格式

二璃氢、Class 類文件的結(jié)構(gòu)

Class 類文件是一組以 8 字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進制流哟玷，各個數(shù)據(jù)項目嚴(yán)格按照順序緊湊地排列在 Class 文件中，中間沒有添加任何分隔符一也。當(dāng)遇到需要占用 8 字節(jié)以上空間的數(shù)據(jù)項目時巢寡，則按照高位在前（最高位字節(jié)在地址最低位）的方式分割成若干個 8 位字節(jié)進行存儲。

Class 文件格式采用一種類似 C 語言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)塘秦，這種偽結(jié)構(gòu)中只有兩種數(shù)據(jù)類型：無符號數(shù)和表讼渊。

• 無符號數(shù)： 基本數(shù)據(jù)類型，以 u1尊剔、u2爪幻、u4、u8 來分別代表 1 個字節(jié)、2 個字節(jié)挨稿、4 個字節(jié)和 8 個字節(jié)的無符號數(shù)仇轻。可用來描述數(shù)字奶甘、索引引用篷店、數(shù)量值或按照 UTF-8 編碼構(gòu)成字符串值。
• 表： 由多個無符號數(shù)或其他表作為數(shù)據(jù)項構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型臭家，所有表都習(xí)慣性地以“_info”結(jié)尾疲陕。表用于描述有層次關(guān)系的復(fù)合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，整個 Class 文件本質(zhì)上就是一張表钉赁。

無論是無符號數(shù)還是表蹄殃，當(dāng)需要描述同一類型但數(shù)量不定的多個數(shù)據(jù)時，會使用一個前置的容量計數(shù)器加若干個連續(xù)數(shù)據(jù)項的形式你踩，這若干個連續(xù)數(shù)據(jù)項稱為集合诅岩。

Class 文件格式：

1、魔數(shù)

每個 Class 文件的頭 4 個字節(jié)稱為魔數(shù)带膜，用于確定該文件是否為一個能被虛擬機接受的 Class 文件吩谦。其值為：0xCAFEBABE（咖啡寶貝？）膝藕。

2式廷、Class 文件的版本

緊接著魔數(shù)的 4 個字節(jié)存儲的是 Class 文件的版本號：第 5、6 個字節(jié)是次版本號束莫，第 7懒棉、8 個字節(jié)是主版本號。

3览绿、常量池

緊接著主次版本號之后的是常量池入口，常量池可以理解為 Class 文件中的資源倉庫穗慕。

由于常量池中常量的數(shù)量是不固定的饿敲，所以在常量池入口放置了一個 u2 類型的常量池容量計數(shù)器。該計數(shù)器的索引值是從 1 而不是從 0 開始逛绵，當(dāng)表示“不引用任何一個常量池項目”時怀各，則可將計數(shù)器置為 0。

常量池主要存放兩大類常量：字面量和符號引用术浪。每一項常量都是一個表瓢对，這些表開始的第一位是一個 u1 類型的標(biāo)志位，代表當(dāng)前常量所屬的常量類型胰苏。常量池目前有 14 種常量類型硕蛹，它們各自均有自己的結(jié)構(gòu)。

常量池的項目類型：

常量類型結(jié)構(gòu)：

（1）CONSTANT_Class_info 類型常量

（2）CONSTANT_Utf8_info 類型常量

（3）...

4埃仪、訪問標(biāo)志

常量池之后乙濒，緊接著的兩個字節(jié)代表訪問標(biāo)志，用于識別一些類或接口層次的訪問信息卵蛉，包括：這個 Class 是類還是接口颁股、是否定義為 public 類型、是否定義為 abstract 類型傻丝、是否被聲明為 final（只有類可設(shè)置）等甘有。

訪問標(biāo)志：

5运准、類索引幌氮、父類索引與接口索引集合

類索引和父類索引都是 u2 類型的數(shù)據(jù)，而接口索引集合是一組 u2 類型的數(shù)據(jù)的集合胁澳，Class 文件由這三項數(shù)據(jù)確定這個類的繼承關(guān)系该互。

• 類索引：指向一個類型為 CONSTANT_Class_info 的類描述符常量，表示該類的全限定名韭畸。
• 父類索引：指向一個類型為 CONSTANT_Class_info 的類描述符常量宇智，表示父類的全限定名。
• 接口索引集合：用于描述該類實現(xiàn)了哪些接口胰丁，接口索引集合的入口放置了一個 u2 類型的接口計數(shù)器随橘，表示索引表的容量。

6锦庸、字段表集合

字段表用于描述接口或類中聲明的變量机蔗。字段包括類級變量以及實例變量，但不包括在方法內(nèi)部聲明的局部變量甘萧。

字段表結(jié)構(gòu)：

• 字段訪問標(biāo)志（access_flags）：

• 簡單名稱索引（name_index）：指向常量池中一個 CONSTANT_Utf8_info 類型常量萝嘁，代表字段的簡單名稱。
• 描述符索引（descriptor_index）：指向常量池中一個 CONSTANT_Utf8_info 類型常量扬卷，代表字段和方法的描述符牙言。描述符的作用是用來描述字段的數(shù)據(jù)類型、方法的參數(shù)列表（包括數(shù)量怪得、類型以及順序）和返回值豪墅。
• 屬性表集合（attributes）：用于存儲一些額外的信息。

7隙轻、方法表集合

方法表的結(jié)構(gòu)與字段表一樣，依次包括了訪問標(biāo)志（access_flags）拔恰、名稱索引（name_index）、描述符索引（descriptor_index）基括、屬性表集合（attributes）幾項颜懊，這些數(shù)據(jù)項目的含義也非常類似，僅在訪問標(biāo)志和屬性表集合的可選項中有所區(qū)別风皿。

方法表結(jié)構(gòu)：

• 方法訪問標(biāo)志（access_flags）：

方法里的 Java 代碼河爹，經(jīng)過編譯器編譯成字節(jié)碼指令后，存放在方法屬性表集合中一個名為“Code”的屬性里面桐款。

8咸这、屬性表集合

在 Class 文件、字段表魔眨、方法表都可以攜帶自己的屬性表集合媳维，以用于描述某些場景專有的信息。

屬性表不要求各個屬性表具有嚴(yán)格的順序遏暴，并且只要不與已有屬性名重復(fù)侄刽，任何人實現(xiàn)的編譯器都可以向?qū)傩员碇袑懭胱约憾x的屬性信息，Java 虛擬機運行時會忽略掉它不認(rèn)識的屬性朋凉。

屬性表結(jié)構(gòu)：

（1）Code 屬性

Java 程序方法體中的代碼經(jīng)過 Javac 編譯器處理后州丹，最終變成字節(jié)碼指令存儲在 Code 屬性內(nèi)。

Code 屬性表的結(jié)構(gòu)：

• attribute_name_index：代表該屬性的屬性名稱杂彭，是一項指向 CONSTANT_Uft8_info 型常量的索引墓毒，常量值固定為“Code”。
• attribute_length：代表屬性值的長度亲怠。
• max_stack：代表操作數(shù)棧深度的最大值所计。
• max_locals：代表局部變量表所需的存儲空間。
• code_length：代表字節(jié)碼長度团秽。
• code：用于存儲字節(jié)碼指令的一系列字節(jié)流醉箕。

（2）Exceptions 屬性

用于列舉出方法中可能拋出的受查異常，也就是方法描述時在 throws 關(guān)鍵字后列舉的異常徙垫。

Exceptions 屬性表的結(jié)構(gòu)：

（3）...

三、字節(jié)碼指令簡介

Java 虛擬機的指令由一個操作碼和零至多個操作數(shù)構(gòu)成放棒。由于 Java 虛擬機采用面向操作數(shù)棧而不是寄存器的架構(gòu)姻报，所有大多數(shù)指令都不包括操作數(shù)，只有一個操作碼间螟。但是大多數(shù)指令都包含了其操作所對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型信息吴旋。

如果不考慮異常處理损肛，Java 虛擬機的解釋器可以使用下面的偽代碼當(dāng)作最基本的執(zhí)行模型來理解：

do {
    自動計算 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;
}

對于大多數(shù)與數(shù)據(jù)類型相關(guān)的字節(jié)碼指令荣瑟，它們的操作碼助記符中都有特殊的字符來表示專門為哪種數(shù)據(jù)類型服務(wù)：i 代表對 int 類型的數(shù)據(jù)操作治拿，l 代表 long，s 代表 short笆焰，b 代表 byte劫谅，c 代表 char，f 代表 float嚷掠，d 代表 double捏检，a 代表 reference。

1不皆、加載和存儲指令

加載和存儲指令用于將數(shù)據(jù)在棧幀中的局部變量表和操作數(shù)棧之間來回傳輸贯城，這類指令包括：

• 將一個局部變量加載到操作棧：iload、iload_<n>霹娄、lload能犯、lload_<n>、fload犬耻、fload_<n>踩晶、dload、dload_<n>香追、aload合瓢、aload_<n>。
• 將一個數(shù)值從操作數(shù)棧存儲到局部變量表：istore透典、istore_<n>晴楔、lstore、lstore_<n>峭咒、fstore税弃、fstore_<n>、dstore凑队、dstore_<n>则果、astore、astore_<n>漩氨。
• 將一個常量加載到操作數(shù)棧：bipush西壮、sipush、ldc叫惊、ldc_w款青、ldc2_w、aconst_null霍狰、iconst_m1抡草、iconst_<i>饰及、lconst_<l>、fconst_<f>康震、dconst_<d>燎含。
• 擴充局部變量表的訪問索引的指令：wide。

以上列舉的指令助記符中腿短，有一部分是以尖括號結(jié)尾的指令屏箍。這幾組指令是帶有一個操作數(shù)的通用指令（如 iload）的特殊形式，它們省略了顯式的操作數(shù)答姥，而是將操作數(shù)隱含在指令中铣除。例如：iload_0 代表操作數(shù)為 0 的 iload 指令。

2鹦付、運算指令

運算或算術(shù)指令用于對兩個操作數(shù)以上的值進行某種特定運算尚粘，并把結(jié)果重新存入到操作數(shù)棧頂。大體上算術(shù)指令可分為兩種：對整型數(shù)據(jù)進行運算的指令和對浮點型數(shù)據(jù)進行運算的指令敲长。所有的算術(shù)指令如下：

• 加法指令：iadd郎嫁、ladd、fadd祈噪、dadd泽铛。
• 減法指令：isub、lsub辑鲤、fsub盔腔、dsub。
• 乘法指令：imul月褥、lmul弛随、fmul、dmul宁赤。
• 除法指令：idiv舀透、ldiv、fdiv决左、ddiv愕够。
• 求余指令：irem、lrem佛猛、frem惑芭、drem。
• 取反指令：ineg继找、lneg强衡、fneg、dneg。
• 位移指令：ishl漩勤、ishr、iushr缩搅、lshl越败、lshr、lushr硼瓣。
• 按位或指令：ior究飞、lor。
• 按位與指令：iand堂鲤、land亿傅。
• 按位異或指令：ixor、lxor瘟栖。
• 局部變量自增指令：iinc葵擎。
• 比較指令：dcmpg、dcmpl半哟、fcmpg酬滤、fcmpl、lcmp寓涨。

3盯串、類型轉(zhuǎn)換指令

類型轉(zhuǎn)換指令可以將兩種不同的數(shù)值類型進行相互轉(zhuǎn)換，這些轉(zhuǎn)換操作一般用于實現(xiàn)用戶代碼中的顯式類型轉(zhuǎn)換操作戒良，或者用來處理字節(jié)碼指令集中數(shù)據(jù)類型相關(guān)指令無法與數(shù)據(jù)類型一一對應(yīng)的問題体捏。

Java 虛擬機直接支持（即轉(zhuǎn)換時無需顯示的轉(zhuǎn)換指令）以下數(shù)值類型的寬化類型轉(zhuǎn)換（小范圍類型向大范圍類型的安全轉(zhuǎn)換）：

• int 到 long、float糯崎、double几缭。
• long 到 float、double拇颅。
• float 到 double奏司。

相對的，處理窄化類型轉(zhuǎn)換時樟插，必須顯示地使用轉(zhuǎn)換指令來完成韵洋，這些指令包括：i2b、i2c黄锤、i2s搪缨、l2i、f2i鸵熟、f2l副编、d2i、d2l流强、d2f痹届。窄化類型轉(zhuǎn)換可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生不同的正負(fù)號呻待、不同的數(shù)量級的情況，轉(zhuǎn)換過程很可能會導(dǎo)致數(shù)值的精度丟失队腐。

4蚕捉、對象創(chuàng)建與訪問指令

雖然類實例和數(shù)組都是對象，但 Java 虛擬機對類實例和數(shù)組的創(chuàng)建與操作使用了不同的字節(jié)碼指令柴淘。相關(guān)指令如下：

• 創(chuàng)建類實例的指令：new迫淹。
• 創(chuàng)建數(shù)組的指令：newarray、anewarray为严、multianewarray敛熬。
• 訪問類字段和實例字段的指令：getstatic、putstatic第股、getfield应民、putfield。
• 把一個數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧的指令：baload炸茧、caload瑞妇、saload、iaload梭冠、laload辕狰、faload、daload控漠、aaload蔓倍。
• 將一個操作數(shù)棧的值存儲到數(shù)組元素中的指令：bastore、castore盐捷、sastore偶翅、iastore、fastore碉渡、dastore聚谁、aastore。
• 取數(shù)組長度的指令：arraylength滞诺。
• 檢查類實例類型的指令：instanceof形导、checkcast。

5习霹、操作數(shù)棧管理指令

Java 虛擬機提供了一些用于直接操作操作數(shù)棧的指令朵耕，包括：

• 將操作數(shù)棧的棧頂一個或兩個元素出棧：pop、pop2淋叶。
• 復(fù)制棧頂一個或兩個數(shù)值并將復(fù)制值重新壓入棧頂：dup阎曹、dup2、dup_x1、dup2_x1处嫌、dup_x2栅贴、dup2_x2。
• 將棧最頂端的兩個數(shù)值互換：swap锰霜。

6筹误、控制轉(zhuǎn)移指令

控制轉(zhuǎn)移指令可以讓 Java 虛擬機有條件或無條件地從指定位置的指令繼續(xù)執(zhí)行程序，而不是從控制轉(zhuǎn)移指令的下一條指令繼續(xù)執(zhí)行程序癣缅。從概念模型上理解，可認(rèn)為控制轉(zhuǎn)移指令就是在有條件或無條件地修改 PC 寄存器的值哄酝∮汛妫控制轉(zhuǎn)移指令如下：

• 條件分支：ifeq、iflt陶衅、ifle屡立、ifne、ifgt搀军、ifge膨俐、ifnull、ifnonnull罩句、if_icmpeq焚刺、if_icmpne、if_icmplt门烂、if_icmpgt乳愉、if_icmple、if_icmpge屯远、if_acmpeq蔓姚、if_acmpne。
• 復(fù)合條件分支：tableswitch慨丐、lookupswitch坡脐。
• 無條件分支：goto、goto_w房揭、jsr备闲、jsr_w、ret崩溪。

7浅役、方法調(diào)用和返回指令

方法調(diào)用指令與數(shù)據(jù)類型無關(guān)，包括：

• invokevirtual 指令：用于調(diào)用對象的實例方法伶唯，根據(jù)對象的實際類型進行分派（虛方法分派）觉既，這是 Java 中最常見的方法分派方式。
• invokeinterface 指令：用于調(diào)用接口方法，它會在運行時搜索一個實現(xiàn)了這個接口方法的對象瞪讼，找出合適的方法進行調(diào)用钧椰。
• invokespecial 指令：用于調(diào)用一些需要特殊處理的實例方法，包括實例初始化方法符欠、私有方法和父類方法嫡霞。
• invokestatic 指令：用于調(diào)用類方法。
• invokedynamic 指令：用于在運行時動態(tài)解析出調(diào)用點限定符所引用的方法希柿，并執(zhí)行該方法诊沪。前 4 條調(diào)用指令的分派邏輯固化在 Java 虛擬機內(nèi)部，而 invokedynamic 指令的分派邏輯是由用戶所設(shè)定的引導(dǎo)方法決定的曾撤。

方法返回指令是根據(jù)返回值的類型區(qū)分的端姚，包括：ireturn（用于返回值是 boolean、byte挤悉、char渐裸、short、int 的方法）装悲、lreturn昏鹃、freturn、dreturn诀诊、areturn洞渤、return（用于 void 方法、實例初始化方法畏梆、類和接口的類初始化方法）您宪。

8、異常處理指令

Java 虛擬機中顯式拋出異常的操作（throw 語句）都由 athrow 指令實現(xiàn)奠涌。而處理異常（catch 語句）則不是由字節(jié)碼指令來實現(xiàn)的（很久之前曾經(jīng)使用 jsr 和 ret 指令實現(xiàn)）宪巨，而是采用異常表來完成。

9溜畅、同步指令

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

方法級的同步是隱式的慈格，即無須通過字節(jié)碼指令來控制怠晴。虛擬機可以從方法訪問標(biāo)志 ACC_SYNCHRONIZED 得知一個方法是否聲明為同步方法。如果方法訪問標(biāo)志 ACC_SYNCHRONIZED 被設(shè)置為 true浴捆，執(zhí)行線程就要求先成功持有管程蒜田，然后才能執(zhí)行方法，最后當(dāng)方法完成時釋放管程选泻。

同步一段指令集序列通常是由 synchronized 語句來表示的冲粤，Java 虛擬機的指令集中由 monitorenter 和 monitorexit 兩條指令來支持 synchronized 關(guān)鍵字語義美莫。