JVM_08 类加载与字节码技术(字节码指令2)

Posted 2021-05-18 兴趣使然の草帽路飞

1.条件判断指令

指令	助记符	含义
0x99	ifeq	判断是否 == 0
0x9a	ifne	判断是否 != 0
0x9b	iflt	判断是否 < 0
0x9c	ifge	判断是否 >= 0
0x9d	ifgt	判断是否 > 0
0x9e	ifle	判断是否 <= 0
0x9f	if_icmpeq	两个int是否 ==
0xa0	if_icmpne	两个int是否 !=
0xa1	if_icmplt	两个int是否 <
0xa2	if_icmpge	两个int是否 >=
0xa3	if_icmpgt	两个int是否 >
0xa4	if_icmple	两个int是否 <=
0xa5	if_acmpeq	两个引用是否 ==
0xa6	if_acmpne	两个引用是否 !=
0xc6	ifnull	判断是否 == null
0xc7	ifnonnull	判断是否 != null

几点说明：

• byte，short，char 都会按 int 比较，因为操作数栈都是 4 字节
• goto 用来进行跳转到指定行号的字节码

案例源码：

public class Demo3_3 {
	public static void main(String[] args) {
		int a = 0;
			if(a == 0) {
				a = 10;
			} else {
				a = 20;
		}
	}
}

字节码：

0: iconst_0
1: istore_1
2: iload_1
3: ifne 		12
6: bipush 		10
8: istore_1
9: goto 		15
12: bipush 		20
14: istore_1
15: return

思考：细心的同学应当注意到，以上比较指令中没有 long，float，double 的比较，那么它们要比较怎么办？
参考 https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html#jvms-6.5.lcmp

2.循环控制指令

其实循环控制还是前面介绍的那些指令，例如 while 循环：

public class Demo3_4 {
	public static void main(String[] args) {
		int a = 0;
		while (a < 10) {
			a++;
		}
	}
}

字节码是：

0: iconst_0
1: istore_1
2: iload_1
3: bipush 		10
5: if_icmpge 	14
8: iinc 		1,1
11: goto 		2
14: return

再比如 do while 循环：

public class Demo3_5 {
	public static void main(String[] args) {
		int a = 0;
		do {
			a++;
		} while (a < 10);
	}
}

字节码是：

0: iconst_0 
1: istore_1 
2: iinc 1, 1 
5: iload_1 
6: bipush 10 
8: if_icmplt 2 
11: return

最后再看看 for 循环：

public class Demo3_6 {
	public static void main(String[] args) {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
		}
	}
}

字节码是：

0: iconst_0
1: istore_1
2: iload_1
3: bipush 		10
5: if_icmpge 	14
8: iinc 		1, 1
11: goto 		2
14: retur

注意：比较 while 和 for 的字节码，你发现它们是一模一样的，殊途也能同归

练习 - 判断结果

请从字节码角度分析，下列代码运行的结果：

public class Demo3_6_1 {
	public static void main(String[] args) {
		int i = 0;
		int x = 0;
		while (i < 10) {
			x = x++;
			i++;
		}
		System.out.println(x); // 结果是 0
	}
}

4. 构造方法

< cinit>()V 类的构造方法

public class Demo3_8_1 {
	static int i = 10;
	static {
		i = 20;
	}
	static {
		i = 30;
	}
}

编译器会按从上至下的顺序，收集所有 static 静态代码块和静态成员赋值的代码，合并为一个特殊的方法 < cinit>()V ：

0: bipush 		10  // 对应 i = 10
2: putstatic 	#2 	// Field i:I
5: bipush 		20	
7: putstatic 	#2 	// Field i:I
10: bipush 		30
12: putstatic 	#2 	// Field i:I
15: return

< cinit>()V 方法会在类加载的初始化阶段被调用

上述代码最终结果 i的值是30！

练习：同学们可以自己调整一下 static 变量和静态代码块的位置，观察字节码的改动

< init>()V 实例对象构造方法

public class Demo3_8_2 {
	private String a = "s1";
	{
		b = 20;
	}
	private int b = 10;
	{
		a = "s2";
	}
	public Demo3_8_2(String a, int b) {
		this.a = a;
		this.b = b;
	}
	public static void main(String[] args) {
		Demo3_8_2 d = new Demo3_8_2("s3", 30);
		System.out.println(d.a);// s3
		System.out.println(d.b);// 30
	}
}

编译器会按从上至下的顺序，收集所有 {} 代码块和成员变量赋值的代码，形成新的构造方法，但原始构造方法内的代码总是在最后：

public cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_8_2(java.lang.String, int);
	descriptor: (Ljava/lang/String;I)V
	flags: ACC_PUBLIC
	Code:
		stack=2, locals=3, args_size=3
			0: aload_0
			1: invokespecial 	#1 	// super.<init>()V
			4: aload_0
			5: ldc 				#2  // <- "s1"
			7: putfield 		#3 	// -> this.a
			10: aload_0
			11: bipush 			20  // <- 20
			13: putfield 		#4  // -> this.b
			16: aload_0
			17: bipush 			10  // <- 10
			19: putfield 		#4  // -> this.b
			22: aload_0
			23: ldc 			#5  // <- "s2"
			25: putfield 		#3  // -> this.a
			28: aload_0 			// ------------------------------
			29: aload_1 			// <- slot 1(a) "s3" 			|
			30: putfield 		#3  // -> this.a 					|
			33: aload_0 											|
			34: iload_2 			// <- slot 2(b) 30 				|
			35: putfield 		#4  // -> this.b --------------------
			38: return
		LineNumberTable: ...
		LocalVariableTable:
			Start Length Slot Name Signature
				0     39    0 this Lcn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_8_2;
				0     39    1    a Ljava/lang/String;
				0     39    2    b         I
		MethodParameters: ...

5.方法调用

看一下几种不同的方法调用对应的字节码指令:

public class Demo3_9 {
	public Demo3_9() { }
	private void test1() { }
	private final void test2() { }
	public void test3() { }
	public static void test4() { }
	public static void main(String[] args) {
		Demo3_9 d = new Demo3_9();
		d.test1();
		d.test2();
		d.test3();
		d.test4();
		Demo3_9.test4();
	}
}

字节码：

0: new 				#2 // class cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_9
3: dup
4: invokespecial 	#3 // Method "<init>":()V
7: astore_1
8: aload_1
9: invokespecial 	#4 // Method test1:()V
12: aload_1
13: invokespecial 	#5 // Method test2:()V
16: aload_1
17: invokevirtual 	#6 // Method test3:()V
20: aload_1
21: pop
22: invokestatic 	#7 // Method test4:()V
25: invokestatic 	#7 // Method test4:()V
28: return

• new 是创建【对象】，给对象分配堆内存，执行成功会将【对象引用】压入操作数栈。
• dup 是赋值操作数栈栈顶的内容，本例即为【对象引用】，为什么需要两份引用呢，一个是要配合 invokespecial 调用该对象的构造方法 “< init>”: ()V （会消耗掉栈顶一个引用），另一个要配合 astore_1 赋值给局部变量。
• 最终方法（final），私有方法（private），构造方法都是由 invokespecial 指令来调用，属于静态绑定。
• 普通成员方法是由 invokevirtual 调用，属于动态绑定，即支持多态。
• 成员方法与静态方法调用的另一个区别是，执行方法前是否需要【对象引用】。
• 比较有意思的是 d.test4(); 是通过【对象引用】调用一个静态方法，可以看到在调用。invokestatic 之前执行了 pop 指令，把【对象引用】从操作数栈弹掉了。
• 还有一个执行 invokespecial 的情况是通过 super 调用父类方法。

6. 多态的原理

/**
 * -XX:-UseCompressedOops -XX:-UseCompressedClassPointers
 */
public class Demo3_10 {
	public static void test(Animal animal) {
		animal.eat();
		System.out.println(animal.toString());
	}
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		test(new Cat());
		test(new Dog());
		System.in.read();
	}
}

abstract class Animal {
	public abstract void eat();
	@Override
	public String toString() {
		return "我是" + this.getClass().getSimpleName();
	}
}

class Dog extends Animal {
	@Override
	public void eat() {
		System.out.println("啃骨头");
	}
}

class Cat extends Animal {
	@Override
	public void eat() {
		System.out.println("吃鱼");
	}
}

1）运行代码

停在 System.in.read() 方法上，这时运行 jps 获取进程 id

2）运行 HSDB 工具，进入 JDK 安装目录，执行：

java -cp ./lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

进入图形界面 attach 进程 id，打开 Tools -> Find Object By Query：

输入 select d from cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Dog d 点击 Execute 执行

4）查看对象内存结构

点击超链接可以看到对象的内存结构，此对象没有任何属性，因此只有对象头的 16 字节，前 8 字节是

MarkWord，后 8 字节就是对象的 Class 指针，但目前看不到它的实际地址

可以通过 Windows -> Console 进入命令行模式，执行

mem 0x00000001299b4978 2

mem 有两个参数，参数 1 是对象地址，参数 2 是查看 2 行（即 16 字节）

结果中第二行 0x000000001b7d4028 即为 Class 的内存地址

6）查看类的 vtable

• 方法1：Alt+R 进入 Inspector 工具，输入刚才的 Class 内存地址，看到如下界面

• 方法2：或者 Tools -> Class Browser 输入 Dog 查找，可以得到相同的结果

无论通过哪种方法，都可以找到 Dog Class 的 vtable 长度为 6，意思就是 Dog 类有 6 个虚方法（多态相关的，final，static 不会列入）

那么这 6 个方法都是谁呢？从 Class 的起始地址开始算，偏移 0x1b8 就是 vtable 的起始地址，进行计算得到：

0x000000001b7d4028
1b8 +
---------------------
0x000000001b7d41e0

通过 Windows -> Console 进入命令行模式，执行

mem 0x000000001b7d41e0 6
0x000000001b7d41e0: 0x000000001b3d1b10
0x000000001b7d41e8: 0x000000001b3d15e8
0x000000001b7d41f0: 0x000000001b7d35e8
0x000000001b7d41f8: 0x000000001b3d1540
0x000000001b7d4200: 0x000000001b3d1678
0x000000001b7d4208: 0x000000001b7d3fa8

就得到了 6 个虚方法的入口地址

7）验证方法地址

通过 Tools -> Class Browser 查看每个类的方法定义，比较可知

Dog - public void eat() @0x000000001b7d3fa8
Animal - public java.lang.String toString() @0x000000001b7d35e8;
Object - protected void finalize() @0x000000001b3d1b10;
Object - public boolean equals(java.lang.Object) @0x000000001b3d15e8;
Object - public native int hashCode() @0x000000001b3d1540;
Object - protected native java.lang.Object clone() @0x000000001b3d1678;

对号入座，发现

• eat() 方法是 Dog 类自己的

8）小结

当执行 invokevirtual 指令时:

1. 先通过栈帧中的对象引用找到对象。
2. 分析对象头，找到对象的实际 Class。
3. Class 结构中有 vtable，它在类加载的链接阶段就已经根据方法的重写规则生成好了。
4. 查表得到方法的具体地址。
5. 执行方法的字节码。