jvm字节码简介

Posted 2021-01-16 gulang-jx

1、概述

　　java虚拟机的指令由一个字节长度的、代表着某种特定操作含义的数字（成为操作码，Opcde）和跟随其后的0到多个此操作所需参数（操作数，Operands）。由于操作码的长度为一个字节，所以指令集的操作数总数不能超过256条；又由于Class文件放弃了编译后代码的操作数对齐，所以虚拟机在处理超过一个字节的数据时会从字节中重建出具体的数据格式，例如一个16的长度的无符号整数会使用两个无符号字节存储（byte1、byte2），它们的值为  byte1 << 8 | byte2。对于大部分与数据类型相关的字节码指令，它们的操作码助记符中都有特殊的字符来表明专门为哪种数据类型服务：i代表int类型的数据的操作，l代表了long类型数据的操作、s代表short，b代表byte、c代表char、f代表float、d代表double、a代表reference。

2、字节码类型

2.1、加载和存储指令

　　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，这些指令包含以下内容：

• 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、aconst_m1、aconst_<i>、lfonst<l>、fconst_<f>、dconst_<d>
• 扩充局部变量表的访问索引的指令：wide

　　存储数据的操作数栈和局部变量表主要就是由加载和存储指令进行操作，除此之外，还有少量指令，如访问对象的字段或数组的元素也会向操作数栈传输数据

2.2 运算指令

　　运算或算术执行用于对两个操作数栈上的值进行性某种特定的运算，并把结果重新存入打操作栈顶。大体上算术指令可以分为两类：对整型数据进行运算的指令和对浮点型数据运算的指令，无论哪种算术指令，都使用java虚拟的数据类型，由于没有直接支持byte、short、char和boolean类型的算术指令，对于这类数据的运算、应使用操作int类型的指令代替。所有的算术指令如下：

• 加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd
• 减法指令：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
• 按位与指令：iand、land
• 按位异或指令：ixor、lxor
• 局部变量自增指令：iinc
• 比较指令：dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp

2.3、类型转换指令

　　类型转换指令可以将两种不同的数值类型进行转换，这些抓换操作一般用于实现用户代码中的显式类型转换的操作，或者用来处理字节码指令集中数据类型相关指令无法与数据类型一一对应的问题。

2.3.1 宽化类型转换

　　Java虚拟机直接支持（即转换时无需显式的转换指令），包括以下以下三种类型：

1. int类型到long、float或double类型
2. long到float或double类型
3. float到double类型

2.3.2、窄化类型转换

　　窄化类型转换必须是显式的使用转化指令来完成。窄化类型抓换可能会导致抓换结果产生不同的正负号、不同的数量级的情况，还可能导致数值的精度丢失。窄化类型指令如下：

• int转byte：i2b
• int转char：i2c
• int转short：i2s
• long转int：l2i
• float转int：f2i
• float转long：f2l
• double转int：d2i
• double转long：d2l
• double转float：d2f

 2.4、对象创建与访问指令

　　类和数组都是对象，但是Java虚拟机对类和数组的创建和操作使用了不同的字节码（因为）。对象创建后就可以通过对象访问指令获取对象实例或数组实例中的字段或数组元素，这些指令如下：

• 创建类实例的指令：new
• 创建数组的指令：newarray、anewarray、multianewarray
• 访问类变量（static修饰）和实例变量（非static修饰）的指令：getstatic、putstatic、getfield、putfield
• 把一个数组加载到操作数栈的指令：baload、caload、saload、iaload、laload、faload、daload、aload
• 将一个操作数栈的值储存到数组中的指令：bastore、castore、sastore、iastore、lastore、fastore、dastore、aastore
• 取数组长度的指令：arraylength
• 检查类实例类型的指令：instanceof、checkcase

2.5、操作数栈管理指令

　　Java虚拟机提供了一系列用于直接操作操作数栈的指令，包括：

• 将操作数栈栈顶一个或两个元素出栈：pop、pop2
• 复制站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、dup_x2、dup2_x1、dup2_x2
• 将栈顶最顶端的两个元素互换：swap

2.6、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的从指令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，控制指令就是在有条件或无条件的修改PC寄存器的值。对于boolean类型、byte类型、char类型和short类型的条件分支比较操作，都使用int类型的比较操作指令来完成；而对于long类型、float类型和double类型的条件分支比较操作，会先执行相应类型的比较运算指令（dcmpg、dcmpl、fcpmg、fcpml、icmp），运算指令会返回一个整型数据到操作数栈中，随后在执行int类型的条件分支比较操作来完成整个分支跳转。    控制转移指令如下：

• 条件分支：ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnnonull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq和if_acmpne
• 符合条件分支：tableswitch、lookupswitch
• 无条件分支：goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret

2.7、方法调用和返回指令

　　常见的方法调用指令如下：

• invokevirtual：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）
• invokeinterface：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：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：用于调用类方法（static修饰）　　
• invokedynamic：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

　　常见的方法返回指令：

• ireturn：返回值是boolean、byte、char、short和int类型
• lreturn：返回值是long类型
• freturn：返回值是float类型
• dreturn：返回值是double类型
• return：返回值是void

2.8、异常处理指令

　　在Java程序中显式抛出异常的操作（throw语句）都是有athrow指令来实现，除了throw语句显式抛出异常外，Java虚拟机规范还规定了许多运行时异常会在其他java虚拟机指令检测到异常时自动抛出。在Java虚拟机中，处理异常（try...catch）不是由字节码实现的，而是采用异常表来完成的

2.9、同步指令

　　Java虚拟机支持方法级的同步和方法内部一段指令序列的同步，这两种同步结构都是使用管程（Monitor）来支持的

　　方法级的同步是隐式的，不需要通过字节码指令来控制，它实现在方法调用和返回操作中。虚拟机可以从方法常量池的方法表结构中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志得知一个方法是否声明为同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程就要先成功持有管程，然后才能执行方法，最后当方法执行完成后释放管程。在方法执行期间，执行线程持有了管程，其他任何线程都无法再获得同一个管程。如果一个同步方法执行期间出现了异常，并且方法内部无法处理这个异常，那么这个线程持有的管程会在异常抛到方法之外时自动释放

　　同步一段指令集序列通常是由Java语言中的synchronized语句块来表示，Java虚拟机的指令集中有monitorrenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字的语义。正确实现synchronized需要javac编译器和java虚拟机两者共同协作支持。