Java 汇编指令详解

前言

随着Android开发技术不断被推到新的高度，对于Android程序员来讲越来越需要具备一些对深入的基础性的技术的理解，比如说Java汇编指令。不然，可能很难深入理解一些时下的新框架、新技术，盲目一味追新也会越来越感乏力。

本文既不求照本宣科，亦不求炫技或著文立说，仅力图以最简明、最形象生动的方式，结合例子与实战，让小白也能搞懂这门看似复杂的技术概念。

单刀直入

闲言碎语不要讲，先表一表，什么是Java汇编指令？简而言之，Java汇编指令就是Java虚拟机能够听得懂、可执行的指令，也可以说是Java代码的最小执行单元。有点Java基础的人一定都知道，javac命令会将Java源文件编译成字节码文件，也就是.class文件，里面就包含了大量的汇编指令。因此可以将javac命令理解为一个翻译命令，将源文件翻译成虚拟机可以执行的指令。那么最直观的探究方法莫过于直接对比一下翻译前后的内容。具体如何对比呢？就不得不用到Java为我们一直默默提供的一项利器，javap命令，它可以解析字节码，将字节码内部逻辑以可读的方式呈现出来。为了紧贴实战，我们直接在新建的Android工程里，写这样一个Activity类，里面包含几个由简单到复杂的方法和一个名为name的字段：

如图，以上方法，复杂度由低到高依次为：getName

cd到这个路径下，运行万能的javap命令：javap -v -p MainActivity，就可以观看到翻译版的Java字节码的胴体了！这里的-v意思是啰嗦模式，会输出全面的字节码信息，而-p是指涵盖所有成员。原字节码信息输出内容较多，基于本文的目标，取其一方法的内容，整理如下图：方法1，getName()：

这个getName的方法应该是再简单不过的Java代码，翻译成字节码后也变成了三行，我们先来简单推理一下：第一句，aload_0不知所云，索性略过；第二行，getfield应该可以读懂，后面这个#2似乎是他的参数（实际上是对常量池的引用），//后面注释的内容是javap给我们加上的，意思应该是#2的指向是"Field name:Ljava/lang/String;"这个内容。所以getfield这一行就是取出name这个字段喽，so easy。areturn肯定就是return的意思，a的含义也先略过不表。总之就是取出name字段然后return喽。

那么现在的问题就是aload_0是什么意思了，看似多余，但仔细思考一下，似乎之前给getfield指令传入了“Field name:Ljava/lang/String;”这样一个并不完整的参数，其后半部分的“Ljava/lang/String;”仅仅表示这个name字段的类型是String，也就是说，整个参数里没有说是取的谁的name字段啊！究竟是get谁的feild呢？

1. 由此可以想到：aload操作一定是在为getfield指令准备了一个主体。

实际上，再结合下面的局部变量表，aload_0中的0正是局部变量表里的Slot 0的含义。意思是将局部变量表里的Slot 0的东西压入操作数栈，这个Slot 0里的东西name正是this，也就是MainActivity的实例，即getfield的主体。

大戏上演

好了，对于小白同学有些陌生的概念来了，啥是操作数栈？啥是局部变量表？其实这两个东西理解好了，关于虚拟机指令就懂了一大半了。那么，不妨删繁就简，由易入难，先讲一个这样的故事，故事起名叫：

1. Java方法之创世纪

话说Jvm大帝是神之旨意的履行者（Jvm大帝就是虚拟机，神就是开发者，神之旨意是开发者写好并编译后的字节码...），当Jvm大帝带领Java世界运行进入了一个新的方法后，会为这个方法在栈内存大陆上创造两个重要的领域：局部变量表和操作数栈。

要有栈。要有表。神说。

依照神之旨意，jvm大帝创造的局部变量表里一般会包含this指针（针对实例方法，静态方法当然无此）、方法的所有传入参数和方法中所开辟的本地变量。

那么操作数栈是干嘛用的呢？

我们再引入另外一个比喻，如果把运行Java方法理解为拍戏，那么局部变量表里的各个局部变量就是这部戏的核心主角，或者说领衔主演，而操作数栈正是这部戏的舞台。所谓操作数栈搭台，局部变量唱戏，是也。那么aload0就是告诉Jvm导演（大帝已沦落为导演），请0号演员this同志登台（压栈），演后边的本子。当然了，这个比喻并不完全恰当，因为操作数栈并不是“舞台”的结构，而是栈的结构。但是这个比喻可以很好地说明局部变量表和操作数栈之间的关系，以及aload0的作用。

下面我们用一张图来演示一下getName这个小剧本桥段所导演的故事：

好吧这部剧虽然短的可怜，但已经基本把指令、操作数栈和局部变量表三者的关系演绎了出来。值得注意的是，getfield这条指令对操作数栈进行了复合操作，其流程可以示意如下图：

后面我们将要接触到的许多指令都如此，指令内部执行了弹出—>处理—>压回的流程。下面我们就来分析一个相对复杂一点的方法，setName(String)，如下图：

这里我们看到，变化主要有，指令多了一行，多进行了一次aload，getfield变成了putfield，areturn变成了return，仅此而已。另外领衔主演也就是局部变量表里多了一位，也就是方法的传入参数name字符串对象了。其情节如下：

这里，putfield只弹出栈内的操作数，而没有向操作数栈压回任何数据，而且执行putfield之前，栈内元素的位置也必须符合“值在上，主体在下”要求。而最后的return仅表示方法结束，而不会像areturn一样返回栈顶元素。这也印证了setName(String)方法没有返回参数。

融会贯通

相信有了以上的讲解，大家对指令、操作数栈、局部变量表三者的运作关系有了一定认识，为了后边能够分析更复杂的方法，这里必须概括性地讲解一下更多的Jvm汇编指令。虽然Jvm汇编指令非常多，但其实常用的不外乎几个类别，先从这几个常用类别入手理解，便可渐入佳境。关于Java汇编指令的分类，可以从两个维度进行：一是指令的功能，二是指令操作的数据类型。我们先从功能说起，指令主要可以分为如下几类：

1. 存储和加载类指令：主要包括load系列指令、store系列指令和ldc、push系列指令，主要用于在局部变量表、操作数栈和常量池三者之间进行数据调度；（关于常量池前面没有特别讲解，这个也很简单，顾名思义，就是这个池子里放着各种常量，好比片场的道具库）

2. 对象操作指令（创建与读写访问）：比如我们刚刚的putfield和getfield就属于读写访问的指令，此外还有putstatic/getstatic，还有new系列指令，以及instanceof等指令。

3. 操作数栈管理指令：如pop和dup，他们只对操作数栈进行操作。

4. 类型转换指令和运算指令：如add/div/l2i等系列指令，实际上这类指令一般也只对操作数栈进行操作。

5. 控制跳转指令：这类里包含常用的if系列指令以及goto类指令。

6. 方法调用和返回指令：主要包括invoke系列指令和return系列指令。这类指令也意味这一个方法空间的开辟和结束，即invoke会唤醒一个新的java方法小宇宙（新的栈和局部变量表），而return则意味着这个宇宙的结束回收。

如下图，展示了各类指令的作用：

再从另外一个维度，即指令操作的数据类型来讲：指令开头或尾部的一些字母，就往往表明了它所能操作的数据类型：

a对应对象，表示指令操作对象性数据，比如aload和astore、areturn等等。i对应整形。也就有iload，istore等i系列指令。f对应浮点型。l对应long，b对应byte，d对应double，c对应char。另外地，ia对应int array，aa对应object array，da对应double array。不在一一赘述。

了解了以上内容，我们再去看最后几个方法，应该就会容易理解很多了。下面我们就直捣黄龙gotoBrowser这个方法：

这个过程简单解读如下：

1. new一个Intent对象（在堆内存中开辟空间），并将其引用入栈；

2. dup复制栈顶的刚刚放入的引用，再次压栈，这时栈里有两个重复的内容，深度为2；

3. 从常量池取出“android.intent.action.View”这个字符串（对象引用）压栈，此时栈深度为3；

4. 弹出栈顶的两个对象，调用弹出的第二个对象的 方法，栈深度为1；

5. 将此时栈顶引用弹出并存储到局部变量中（slot 2），此时栈就清空了，深度0；

后面的就相对简单了，读者可以尝试自己解读。再看这个包含if跳转的方法staticMethod：

如上图，图中已经说明的比较全面了，不再赘述。值得一提的是，Java的这种基于栈结构的汇编指令，在设计上有一种非常简洁的美感，指令与指令之间并没有较重的依赖，每条指令仅仅与操作数栈等领域内的数据发生关系，充满着某种平衡与秩序感。因此也必须注意，几乎每条指令的运行都有其前提，比如在invokevirtual或invokespecial指令执行前，必须保证操作数栈内提前按顺序压入好所需的操作数，否则就会发生问题。关于最复杂的onCreate方法，就不再啰嗦解读了，读者可以前往我的github上的对应demo repo，进入tutorial分支，拉取源码和教程资源，或者自己写demo体验这一完整过程。地址：https://github.com/BryanSharp/hiBeaverDemo

后话

关于实战，一是可以学习使用强大开源工具ASM.jar；二是，特别对于Android同学，可以参考本人的另一篇文章：Android字节码修改神器HiBeaver：黑掉你的SDK（https://segmentfault.com/a/1190000008491823）以及一次Android字节码插桩实战（https://segmentfault.com/a/1190000008658815），利用hibeaver这个助手，开发者可以非常灵活地对字节码进行修改，插入指令，hook代码，甚至建立一些简单的AOP框架，对于Java字节码学习大有裨益。hibeaver完全开源，github项目地址：https://github.com/BryanSharp/hibeaver

祝玩的愉快！本文如有不妥之处，欢迎交流指正。

另外，本文为了尽可能地简明生动、直入核心，简化了很多概念和细节，读者须知实际情况的更为复杂。但相信在理解了本文以后，就可以抓住Java汇编指令的核心理念，也就算扣开虚拟机学习的大门并可以开始读书精进了。下面盗图一张（后有出处），可作拓展：