JVM-2.字节码和字节码指令

目录：

JVM-1.自动内存管理

JVM-2.字节码和字节码指令

JVM-3.类的加载机制

JVM-4.字节码执行和方法调用

JVM-5.程序编译与代码优化

JVM-6.Java线程内存模型和线程实现

我们都知道，java代码经过编译之后，会转换为字节码。那么

• 字节码是什么？他的结构是怎么样的？
• 字节码是怎么被执行的？
  这些问题本文都尝试去回答。

1.字节码是什么

字节码是什么，当我们编译java程序之后，便会生成.class文件，使用文本编辑器打开.class文件。

你会看到一大堆数字，不过你仔细观察会发现前8个字符居然是“cafe babe”，咖啡宝贝。这让人想起java的logo也是咖啡，而且java本身其实是一种咖啡的名字。事实上“cafe babe”是字节码文件的标识符，也被称为魔数，因为实际上他是一个16进制的数，而不是字符。在Linux系统中，识别一个文件并不是靠检验文件的后缀名，而是检验他的标识符。

另外值得注意的是，并不是一个.java文件编译成一个.class文件，而是一个类编译成一个.class文件。

那么除了开头的魔数，.class文件的结构是怎么样的呢？

class的文件结构

总体结构

class文件其实只有一种数据结构，就是无符号数，但是多个无符号数可以凑成不同的类型。根据无符号数的个数，分为U1，U2，U3，U4的等四种类型。另外由多个无符号数类型（指U1，U2，U3，U4）组成的数据结构称之为表。所以实际上整个class文件就是一个表。

• 魔数和版本
  魔数在上面已经介绍过了。
  版本号标记的是字节码的版本，并不是当前文件的版本。低版本的执行器会拒绝执行高版本的字节码文件。
• 常量池
  常量池用于存放字面量值，如int a=1；那么1就会被存放在常量池中。另外字符串池存放的位置是在堆中。
  此外，还会存放符号引用，所谓符号引用就是被引用的类的全称。符号引用会在类加载的时候被解析成实际引用类的地址。
• 访问标记
  • 表示是类，接口，抽象类，枚举，注解
  • 是否为public
  • 是否为final
    多个结果使用&合并。
• 当前类索引（this）
  当使用this时，指向的就是该属性记录的地址，指向当前类的地址。
• 父类索引（super）
  指向父类的地址，使用super时指向的就是该地址。
• 接口集合
  指向实现的接口的地址索引。因为接口可多实现，所以是集合。

字段表集合

描述类中声明的变量，以及实例变量，不包括方法内的局部变量。
字段表结构

名称	类型	说明
访问标记符	U2	public/private/protected/static/final/volatile/transient/enum
name_index	U2	对常量池的引用，简单名称
descriptor_index	U2	描述符,表示字段的类型,B：byte，C:char,D:double,F:float,I:int,J:long,S:short,Z:boolean,V:void,L:对象类型，如Ljava/lang/Object
attributes_count	U2	属性的个数
attributes	attribute_info	属性表，与class的属性表集合是一样的

方法表集合

名称	类型	说明
access_flags	U2	访问标记符，比字段的访问标记符多出synchronized，native，strictfp（精确浮点数），abstract，少了volatile，transient
name_index	U2	名称索引，指向方法具体实现
descriptor_index	U2	先参数列表属性，再描述返回值属性
attributes_count	u2	属性个数
attributes	attributes	属性几个

方法集合里标记了方法的访问标记，返回值参数类型描述，但是方法的代码存再哪里？方法实际存储在属性表里的“Code”属性里。

属性表集合

可以看出，在很多结构里都使用到了属性表这一个属性，属性表没有顺序要求，只要不与已有的属性名重复即可。

名称	使用位置	说明
Code	方法表	存放具体的方法实现，实际是java代码编译的字节码指令
ConstantValue	字段表	存放final标记的常量
Deprecated	类，方法表，字段表	存放被标记遗弃的字段方法或类
Exceptions	方法表	方法抛出的异常
EnclosingMethod	类文件	仅当类为局部类或者匿名类时拥有的属性，用于标记该类所在的外围方法。

其他过多的属性不列出

2.字节码指令

字节码的执行

在上面的Code属性表中，实际存放代码的属性只有Code一个U1的属性。这令人有点迷惑，一个字节怎么存放代码呢？
实际上完整的指令由1个字节长度表示操作指令，以及紧跟其后的0个或n个参数构成。
java是面向操作栈的结构，大多数指令并不包括操作的数据。
如果不考虑异常，其执行代码的逻辑大致为以下的伪代码。

do{
    自动计算PC寄存器的值加1；
    根据PC寄存器指示的位置，从字节码流中取出操作指令；
    if(字节码存在参数) 
        从字节码流中取出参数；
    执行操作码所定义的操作；
}while(字节码流长度>0);

由于Code属性的类型是U1，所以实际上，操作码的总数不能操作256条。

字节码类型

字节码使用一个字母来表示类型

• l：long
• s: short
• b: byte
• c: char
• f: float
• d: double
• a: reference,表示引用类型

九种类型的操作指令

类型	说明	例子
加载	用于将局部变量表和操作数栈之间的数据传输	iload（i表示int型，加载到操作数栈），istore（存储的局部变量），bipush，sipush等等
运算	计算数值	iadd，isub，imul，irem（取余），ior，iand，ixor,iinc（自增）等等
类型转换	转换类型	i2s（int转shrot），i2b（int转byte）等等
对象创建和访问		new（创建实例），newarray（创建数组）等等
操作数栈管理和访问指令		pop，dup，swap（交换栈顶的两个数）等等
控制转移指令	条件分支的跳转，如if语句	ifeq（相等），iflt(小于），goto等等
方法调用和返回指令	invokevirtual（调用实例方法），invokeinterface（接口方法），invokespecial（特殊方法，如初始化），invokestatic（静态方法），invokedynamic（动态方法）。ireturn(返回int)
异常处理指令	抛出异常，catch并不使用指令而是使用异常表查找，Code属性中的expection_info	athrow
同步指令	当一个方法被标记为同步方法时，或者标记一段代码为同步代码块时，执行到同步代码时，线程会从方法表结构中的ACC_SYNCHRONIZED，标志是否被设置，如果被设置了，则必须等待，直到成功设置获得管程。执行代码后会释放管程。	monitorenter，monitorexit