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int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。
微信公众号 Gityuan | 微博 weibo.com/gityuan | 博客 留言区交流