Jvm系列2—字节码指令

Posted by Gityuan on October 24, 2015

介绍java虚拟机的指令功能,至少能阅读java代码生成的字节码指令含义

一、概述

Java虚拟机采用基于栈的架构,其指令由操作码和操作数组成。

  • 操作码:一个字节长度(0~255),意味着指令集的操作码个数不能操作256条。
  • 操作数:一条指令可以有零或者多个操作数,且操作数可以是1个或者多个字节。编译后的代码没有采用操作数长度对齐方式,比如16位无符号整数需使用两个字节储存(假设为byte1和byte2),那么真实值是 (byte1 << 8) | byte2

放弃操作数对齐操作数对齐方案:

  • 优势:可以省略很多填充和间隔符号,从而减少数据量,具有更高的传输效率;Java起初就是为了面向网络、智能家具而设计的,故更加注重传输效率。
  • 劣势:运行时从字节码里构建出具体数据结构,需要花费部分CPU时间,从而导致解释执行字节码会损失部分性能。

二、指令

大多数指令包含了其操作所对应的数据类型信息,比如iload,表示从局部变量表中加载int型的数据到操作数栈;而fload表示加载float型数据到操作数栈。由于操作码长度只有1Byte,因此Java虚拟机的指令集对于特定操作只提供有限的类型相关指令,并非为每一种数据类型都有相应的操作指令。必要时,有些指令可用于将不支持的类型转换为可被支持的类型。

对于byte,short,char,boolean类型,往往没有单独的操作码,通过编译器在编译期或者运行期将其扩展。对于byte,short采用带符号扩展,chart,boolean采用零位扩展。相应的数组也是采用类似的扩展方式转换为int类型的字节码来处理。 下面分门别类来介绍Java虚拟机指令,都以int类型的数据操作为例。

栈是指操作数栈

2.1 栈操作相关

load和store

  • load 命令:用于将局部变量表的指定位置的相应类型变量加载到栈顶;
  • store命令:用于将栈顶的相应类型数据保入局部变量表的指定位置;
变量进栈 含义 变量保存 含义
iload 第1个int型变量进栈 istore 栈顶nt数值存入第1局部变量
iload_0 第1个int型变量进栈 istore_0 栈顶int数值存入第1局部变量
iload_1 第2个int型变量进栈 istore_1 栈顶int数值存入第2局部变量
iload_2 第3个int型变量进栈 istore_2 栈顶int数值存入第3局部变量
iload_3 第4个int型变量进栈 istore_3 栈顶int数值存入第4局部变量
       
lload 第1个long型变量进栈 lstore 栈顶long数值存入第1局部变量
fload 第1个float型变量进栈 fstore 栈顶float数值存入第1局部变量
dload 第1个double型变量进栈 dstore 栈顶double数值存入第1局部变量
aload 第1个ref型变量进栈 astore 栈顶ref对象存入第1局部变量

const、push和ldc

  • const、push:将相应类型的常量放入栈顶
  • ldc:则是从常量池中将常量
常量进栈 含义
aconst_null null进栈
iconst_m1 int型常量-1进栈
iconst_0 int型常量0进栈
iconst_1 int型常量1进栈
iconst_2 int型常量2进栈
iconst_3 int型常量3进栈
iconst_4 int型常量4进栈
iconst_5 int型常量5进栈
   
lconst_0 long型常量0进栈
fconst_0 float型常量0进栈
dconst_0 double型常量0进栈
   
bipush byte型常量进栈
sipush short型常量进栈
常量池操作 含义
ldc int、float或String型常量从常量池推送至栈顶
ldc_w int、float或String型常量从常量池推送至栈顶(宽索引)
ldc2_w long或double型常量从常量池推送至栈顶(宽索引)

pop和dup

  • pop用于栈顶数值出栈操作;
  • dup用于赋值栈顶的指定个数的数值,并将其压入栈顶指定次数;
栈顶操作 含义
pop 栈顶数值出栈(不能是long/double)
pop2 栈顶数值出栈(long/double型1个,其他2个)
   
dup 复制栈顶数值,并压入栈顶
dup_x1 复制栈顶数值,并压入栈顶2次
dup_x2 复制栈顶数值,并压入栈顶3次
dup2 复制栈顶2个数值,并压入栈顶
dup2_x1 复制栈顶2个数值,并压入栈顶2次
dup2_x2 复制栈顶2个数值,并压入栈顶3次
   
swap 栈顶的两个数值互换,且不能是long/double

注意:dup2对于long、double类型的数据就是一个,对于其他类型的数据,才是真正的两个,这个的2代表的是2个slot的数据。

2.2 对象相关

字段调用

字段调用 含义
getstatic 获取类的静态字段,将其值压入栈顶
putstatic 给类的静态字段赋值
getfield 获取对象的字段,将其值压入栈顶
putfield 给对象的字段赋值

方法调用

方法调用 作用 解释
invokevirtual 调用实例方法 虚方法分派
invokestatic 调用类方法 static方法
invokeinterface 调用接口方法 运行时搜索合适方法调用
invokespecial 调用特殊实例方法 包括实例初始化方法、父类方法
invokedynamic 由用户引导方法决定 运行时动态解析出调用点限定符所引用方法

方法返回

方法返回 含义
ireturn 当前方法返回int
lreturn 当前方法返回long
freturn 当前方法返回float
dreturn 当前方法返回double
areturn 当前方法返回ref

对象和数组

  • 创建类实例: new
  • 创建数组:newarray、anewarray、multianewarray
  • 数组元素 加载到 操作数栈:xaload (x可为b,c,s,i,l,f,d,a)
  • 操作数栈的值 存储到数组元素: xastore (x可为b,c,s,i,l,f,d,a)
  • 数组长度:arraylength
  • 类实例类型:instanceof、checkcast

2.3 运算指令

运算指令是用于对操作数栈上的两个数值进行某种运算,并把结果重新存入到操作栈顶。Java虚拟机只支持整型和浮点型两类数据的运算指令,所有指令如下:

运算 int long float double
加法 iadd ladd fadd dadd
减法 isub lsub fsub dsub
乘法 imul lmul fmul dmul
除法 idiv ldiv fdiv ddiv
求余 irem lrem frem drem
取反 ineg lneg fneg dneg

其他运算:

  • 位移:ishl,ishr,iushr,lshl,lshr,lushr
  • 按位或: ior,lor
  • 按位与: iand, land
  • 按位异或: ixor, lxor
  • 自增:iin
  • 比较:dcmpg,dcmpl,fcmpg,fcmpl,lcmp

2.4 类型转换

类型转换用于将两种不同类型的数值进行转换。

(1) 对于宽化类型转换(小范围向大范围转换),无需显式的转换指令,并且是安全的操作。各种范围从小到大依次排序: int, long, float, double。

(2)对于窄化类型转换,必须显式地调用类型转换指令,并且该过程很可能导致精度丢失。转换规则中需要特别注意的是当浮点值为NaN, 则转换结果为int或long的0。虽然窄化运算可能会发生上/下限溢出和精度丢失等情况,但虚拟机规范明确规定窄化转换U不可能导致虚拟机抛出异常。

类型转换指令:i2b, i2c,f2i等等。

2.5 流程控制

控制指令是指有条件或无条件地修改PC寄存器的值,从而达到控制流程的目标

  • 条件分支:ifeq、iflt、ifnull、ifnonnull等
  • 复合分支:tableswitch、lookupswitch
  • 无条件分支:goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret

2.6 同步与异常

异常:

Java程序显式抛出异常: athrow指令。在Java虚拟机中,处理异常(catch语句)不是由字节码指令来实现,而是采用异常表来完成。

同步:

方法级的同步和方法内部分代码的同步,都是依靠管程(Monitor)来实现的。

Java语言使用synchronized语句块,那么Java虚拟机的指令集中通过monitorenter和monitorexit两条指令来完成synchronized的功能。为了保证monitorenter和monitorexit指令一定能成对的调用(不管方法正常结束还是异常结束),编译器会自动生成一个异常处理器,该异常处理器的主要目的是用于执行monitorexit指令。

2.7 小结

在基于堆栈的的虚拟机中,指令的主战场便是操作数栈,除了load是从局部变量表加载数据到操作数栈以及store储存数据到局部变量表,其余指令基本都是用于操作数栈的。


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