JVM技术专题 class字节码指令操作介绍「上篇」

Posted 2022-11-27 浩宇の天尚

前提概要

Java虚拟机的指令由一个字节长度、代表着某种特定操作含义的数字（称为操作码，
Opcode）以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数（称为操作数，Operands）而构
成。

指令介绍

由于限制了Java虚拟机操作码的长度为一个字节（即 0～255），这意味着指令集的操作码总数不可能超过256条。

大多数的指令都包含了其操作所对应的数据类型信息，例如：

• iload 指令用于从局部变量表中加载int型的数据到操作数栈中

• fload 指令加载的则是float 类型的数据。

• 大部分的指令都没有支持整数类型 byte、char 和 short，甚至没有任何指令支持 boolean类型。

• 大多数对于 boolean、byte、short 和 char 类型数据的操作，实际上都是使用相应的 int 类型作为运算类型

加载和存储指令

用于将数据在栈帧中的局部变量表和操作数栈之间来回传输，这类指令包括如下内容。

将一个局部变量加载到操作栈：

iload、iload_＜n＞、
lload、lload_＜n＞、
fload、fload_＜n＞、
dload、dload_＜n＞、
aload、aload_＜n＞。

将一个数值从操作数栈存储到局部变量表

istore、istore_＜n＞、
lstore、lstore_＜n＞、
fstore、fstore_＜n＞、
dstore、dstore_＜n＞、
astore、astore_＜n＞。

将一个常量加载到操作数栈

bipush、sipush、
ldc、ldc_w、ldc2_w、
aconst_null、
iconst_m1、iconst_＜i＞、lconst_＜l＞、
fconst_＜f＞、dconst_＜d＞。

扩充局部变量表的访问索引的指令

wide

运算或算术指令

用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算，并把结果重新存入到操作栈顶。

加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd。
减法指令：isub、lsub、fsub、dsub。
乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul 等等

类型转换指令

可以将两种不同的数值类型进行相互转换，Java 虚拟机直接支持以下数值类型的宽化类型转换
（即小范围类型向大范围类型的安全转换）：

• int 类型到 long、float 或者 double 类型。
• long 类型到 float、double 类型。
• float 类型到 double 类型。

处理窄化类型转换（Narrowing Numeric Conversions）时，必须显式地使用转换指令来完
成，这些转换指令包括：

i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l 和 d2f。

创建类实例的指令：

new。

创建数组的指令：

newarray、anewarray、multianewarray。

访问字段指令：

getfield、putfield、getstatic、putstatic。

数组存取相关指令

把一个数组元素加载到操作数栈的指令：

baload、caload、
saload、iaload、
laload、faload、
daload、aaload。

将一个操作数栈的值存储到数组元素中的指令：

bastore、castore、sastore、iastore、
fastore、dastore、aastore。

取数组长度的指令：

arraylength。

检查类实例类型的指令：

instanceof、checkcast。

操作数栈管理指令

如同操作一个普通数据结构中的堆栈那样，Java 虚拟机提供了一些用于直接操作操作数栈
的指令，包括：

将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈

pop、pop2。

复制栈顶一个或两个数值并将复制值或双份的复制值重新压入栈顶：

dup、dup2、dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2。

将栈最顶端的两个数值互换：

swap

控制转移指令

控制转移指令可以让 Java 虚拟机有条件或无条件地从指定的位置指令而不是控制转移指
令的下一条指令继续执行程序，从概念模型上理解，可以认为控制转移指令就是在有条件
或无条件地修改 PC 寄存器的值。控制转移指令如下。

条件分支：

ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、
if_icmplt、if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq 和 if_acmpne。

复合条件分支：

tableswitch、lookupswitch。

无条件分支：

goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret。

方法调用指令

• invokevirtual 指令用于调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派（虚方法分
  派），这也是 Java 语言中最常见的方法分派方式。

• invokeinterface 指令用于调用接口方法，它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对
  象，找出适合的方法进行调用。

• invokespecial 指令用于调用一些需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化方法、私有方法和父类方法。

• invokestatic 指令用于调用类方法（static 方法）。

• invokedynamic 指令用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，并执行该方法，前面 4 条调用指令的分派逻辑都固化在 Java 虚拟机内部，而 invokedynamic 指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。

方法调用指令与数据类型无关。

方法返回指令

是根据返回值的类型区分的，包括

ireturn（当返回值是 boolean、byte、char、short 和 int
类型时使用）、
lreturn、freturn、dreturn 和 areturn，

另外还有一条 return 指令供声明为void 的方法、
实例初始化方法以及类和接口的类初始化方法使用。

异常处理指令

在 Java 程序中显式抛出异常的操作（throw 语句）都由 athrow 指令来实现

Synchronized指令

有 monitorenter 和 monitorexit 两条指令来支持 synchronized 关键字的语义