Java Class文件分析（三）——字节码指令简介

• 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（称为操作码，Opcode）以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数（称为操作数，Operands）而构成。由于Java虚拟机采用面向操作数栈而不是寄存器的架构，所以大多数的指令都不包含操作数，只有一个操作码。
• 由于限制了Java虚拟机操作码的长度为一个字节（即0～255），这意味着指令集的操作码总数不可能超过256条；又由于Class文件格式放弃了编译后代码的操作数长度对齐，这就意味着虚拟机处理那些超过一个字节数据的时候，不得不在运行时从字节中重建出具体数据的结构，如果要将一个16位长度的无符号整数使用两个无符号字节存储起来（将它们命名为byte1和byte2），那它们的值应该是这样的：

（byte1＜＜8）|byte2

放弃了操作数长度对齐，可以省略很多填充和间隔符号；用一个字节来代表操作码，也是为了尽可能获得短小精干的编译代码。

 do{ 自动计算PC寄存器的值加1;
            根据PC寄存器的指示位置，从字节码流中取出操作码;
            if(字节码存在操作数)从字节码流中取出操作数;
            执行操作码所定义的操作;
        }while(字节码流长度>0);

一、字节码与数据类型

在Java虚拟机的指令集中，大多数的指令都包含了其操作所对应的数据类型信息.

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代表对int类型的数据操作，l代表long,s代表short,b代表byte,c代表char,f代表float,d代表double,a代表reference。也有一些指令的助记符中没有明确地指明操作类型的字母，如arraylength指令，它没有代表数据类型的特殊字符，但操作数永远只能是一个数组类型的对象。还有另外一些指令，如无条件跳转指令goto则是与数据类型无关的。

由于Java虚拟机的操作码长度只有一个字节，Java虚拟机的指令集对于特定的操作只提供了有限的类型相关指令去支持它，指令集将会故意被设计成非完全独立的（Java虚拟机规范中把这种特性称为“Not Orthogonal”，即并非每种数据类型和每一种操作都有对应的指令）。有一些单独的指令可以在必要的时候用来将一些不支持的类型转换为可被支持的类型。

表6-31列举了Java虚拟机所支持的与数据类型相关的字节码指令，通过使用数据类型列所代表的特殊字符替换opcode列的指令模板中的T，就可以得到一个具体的字节码指令。如果在表中指令模板与数据类型两列共同确定的格为空，则说明虚拟机不支持对这种数据类型执行这项操作。例如，load指令有操作int类型的iload，但是没有操作byte类型的同类指令。

image.png

大部分的指令都没有支持整数类型byte、char和short，甚至没有任何指令支持boolean类型。编译器会在编译期或运行期将byte和short类型的数据带符号扩展（Sign-Extend）为相应的int类型数据，将boolean和char类型数据零位扩展（Zero-Extend）为相应的int类型数据。与之类似，在处理boolean、byte、short和char类型的数组时，也会转换为使用对应的int类型的字节码指令来处理。因此，大多数对于boolean、byte、short和char类型数据的操作，实际上都是使用相应的int类型作为运算类型（Computational Type）。

二、指令简单分类

1.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，这类指令包括如下内容。

将一个局部变量加载到操作栈：
iload、iload_、lload、lload_、fload、fload_、dload、dload_、aload、aload_

将一个数值从操作数栈存储到局部变量表：
istore、istore_、lstore、lstore_、fstore、fstore_、dstore、dstore_、astore、astore_

将一个常量加载到操作数栈：
bipush、sipush、ldc、ldc_w、ldc2_w、aconst_null、iconst_m1、iconst_、lconst_、fconst_、dconst_

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元素的指令也会向操作数栈传输数据。

上面所列举的指令助记符中，有一部分是以尖括号结尾的（例如iload_），这些指令助记符实际上是代表了一组指令（例如iload_，它代表了iload_0、iload_1、iload_2和iload_3这几条指令）。这几组指令都是某个带有一个操作数的通用指令（例如iload）的特殊形式，对于这若干组特殊指令来说，它们省略掉了显式的操作数，不需要进行取操作数的动作，实际上操作数就隐含在指令中。除了这点之外，它们的语义与原生的通用指令完全一致（例如iload_0的语义与操作数为0时的iload指令语义完全一致）。

2.运算指令

用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算，并把结果重新存入到操作栈顶。

可以分为两种：整型+浮点型 数据进行运算的指令，无论是哪种算术指令，都使用Java虚拟机的数据类型，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。整数与浮点数的算术指令在溢出和被零除的时候也有各自不同的行为表现，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

3.类型转换指令

可以将两种不同的数值类型进行相互转换

Java虚拟机直接支持（即转换时无需显式的转换指令）以下数值类型的宽化类型转换（Widening Numeric Conversions，即小范围类型向大范围类型的安全转换）：
int类型到long、float或者double类型
long类型到float、double类型
float类型到double类型

处理窄化类型转换（Narrowing Numeric Conversions）时，必须显式地使用转换指令来完成，这些转换指令包括：i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l和d2f。窄化类型转换可能会导致转换结果产生不同的正负号、不同的数量级的情况，转换过程很可能会导致数值的精度丢失。

在将int或long类型窄化转换为整数类型T的时候，转换过程仅仅是简单地丢弃除最低位N个字节以外的内容，N是类型T的数据类型长度，这将可能导致转换结果与输入值有不同的正负号。符号位处于数值的最高位，高位被丢弃之后，转换结果的符号就取决于低N个字节的首位了。

在将一个浮点值窄化转换为整数类型T（T限于int或long类型之一）的时候，将遵循以下转换规则：
如果浮点值是NaN，那转换结果就是int或long类型的0。
如果浮点值不是无穷大的话，浮点值使用IEEE 754的向零舍入模式取整，获得整数值v，如果v在目标类型T（int或long）的表示范围之内，那转换结果就是v。否则，将根据v的符号，转换为T所能表示的最大或者最小正数。

从double类型到float类型的窄化转换过程与IEEE 754中定义的一致，通过IEEE 754向最接近数舍入模式舍入得到一个可以使用float类型表示的数字。如果转换结果的绝对值太小而无法使用float来表示的话，将返回float类型的正负零。如果转换结果的绝对值太大而无法使用float来表示的话，将返回float类型的正负无穷大，对于double类型的NaN值将按规定转换为float类型的NaN值。

4.对象创建与访问指令

虽然类实例和数组都是对象，但Java虚拟机对类实例和数组的创建与操作使用了不同的字节码指令。对象创建后，就可以通过对象访问指令获取对象实例或者数组实例中的字段或者数组元素，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
访问类字段和实例字段的指令：getfield、putfield、getstatic、putstatic
把一个数组元素加载到操作数栈的指令：baload、caload、saload、iaload、laload、faload、daload、aaload
将一个操作数栈的值存储到数组元素中的指令：bastore、castore、sastore、iastore、fastore、dastore、aastore
取数组长度的指令：arraylength
检查类实例类型的指令：instanceof、checkcast

5.操作数栈管理指令

将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈：pop、pop2
复制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、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2
将栈最顶端的两个数值互换：swap

6.控制转移指令

可以让Java虚拟机有条件或无条件地从指定的位置指令 下一条指令继续执行程序，在有条件或无条件地修改PC寄存器的值。
条件分支：ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq和if_acmpne

复合条件分支：tableswitch、lookupswitch

无条件分支：goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret

在Java虚拟机中有专门的指令集用来处理int和reference类型的条件分支比较操作，为了可以无须明显标识一个实体值是否null，也有专门的指令用来检测null值。

对于boolean、byte、char和short的条件分支比较操作，都是使用int类型的比较指令来完成，而对于long、float和double的条件分支比较操作，则会先执行相应类型的比较运算指令（dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp，见6.4.3节），运算指令会返回一个整型值到操作数栈中，随后再执行int类型的条件分支比较操作来完成整个分支跳转。由于各种类型的比较最终都会转化为int类型的比较操作，int类型比较是否方便完善就显得尤为重要，所以Java虚拟机提供的int类型的条件分支指令是最为丰富和强大的。

7.方法调用和返回指令

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调用类方法

invokedynamic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，前面4条调用指令的分派逻辑都固化在Java虚拟机内部，而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。

方法调用指令与数据类型无关，而方法返回指令是根据返回值的类型区分的，包括ireturn（当返回值是boolean、byte、char、short和int类型时使用）、lreturn、freturn、dreturn和areturn，另外还有一条return指令供声明为void的方法、实例初始化方法以及类和接口的类初始化方法使用。

8.异常处理指令

在Java程序中显式抛出异常的操作（throw语句）都由athrow指令来实现,在其他Java虚拟机指令检测到异常状况时也自动抛出。

而在Java虚拟机中，处理异常（catch语句）不是由字节码指令来实现的，而是采用异常表来完成的。

9.同步指令

Java虚拟机可以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，即无须通过字节码指令来控制，它实现在方法调用和返回操作之中。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，执行线程就要求先成功持有管程，然后才能执行方法，最后当方法完成（无论是正常完成还是非正常完成）时释放管程。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取到同一个管程。如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那么这个同步方法所持有的管程将在异常抛到同步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语句块来表示的，Java虚拟机的指令集中有monitorenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字的语义，正确实现synchronized关键字需要Javac编译器与Java虚拟机两者共同协作支持，
代码:

void onlyMe(Foo f){
        synchronized(f){
            System.out.println();
        }
    }

javap反编译:

void onlyMe(org.clazz.Foo);
    flags:
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=2
         0: aload_1 //将对象f入栈
         1: dup     //复制栈顶元素(即f的引用)
         2: astore_2    //将栈顶元素存储到局部变量表slot 2中
         3: monitorenter //以栈顶元素(即f)作为锁，开始同步
         4: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljav
a/io/PrintStream;
         7: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.prin
tln:()V
        10: aload_2 //将局部变量Slow 2的元素(即f)入栈
        11: monitorexit //退出同步
        12: goto          20    //  方法正常结束，跳转到18返回
        15: astore_3        //从这步开始是异常路径，见下面异常表的target 15
        16: aload_2     //将局部变量Slow 2的元素(即f)入栈
        17: monitorexit     //退出同步
        18: aload_3     //将局部变量Slow 3的元素(即异常对象)入栈
        19: athrow      //把异常对象重新抛出给onlyMe()方法的调用者
        20: return      //方法正常返回
      Exception table:
         from    to  target type
             4    12    15   any
            15    18    15   any
      LineNumberTable:
        line 18: 0
        line 19: 4
        line 20: 10
        line 21: 20
      StackMapTable: number_of_entries = 2
           frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 15
          locals = [ class org/clazz/TestClass, class org/clazz/Foo, class java/
lang/Object ]
          stack = [ class java/lang/Throwable ]
           frame_type = 250 /* chop */
          offset_delta = 4
 
}

编译器必须确保无论方法通过何种方式完成，方法中调用过的每条monitorenter指令都必须执行其对应的monitorexit指令，而无论这个方法是正常结束还是异常结束。

从上述字节码序列中可以看到，为了保证在方法异常完成时monitorenter和monitorexit指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行monitorexit指令。

三、公有设计和私有实现

Java虚拟机规范描绘了Java虚拟机应有的共同程序存储格式：Class文件格式以及字节码指令集。

Java虚拟机实现必须能够读取Class文件并精确实现包含在其中的Java虚拟机代码的语义。拿着Java虚拟机规范一成不变地逐字实现其中要求的内容当然是一种可行的途径，但一个优秀的虚拟机实现，在满足虚拟机规范的约束下对具体实现做出修改和优化也是完全可行的，并且虚拟机规范中明确鼓励实现者这样做。只要优化后Class文件依然可以被正确读取，并且包含在其中的语义能得到完整的保持，那实现者就可以选择任何方式去实现这些语义，虚拟机后台如何处理Class文件完全是实现者自己的事情，只要它在外部接口上看起来与规范描述的一致即可。

将输入的Java虚拟机代码在加载或执行时翻译成另外一种虚拟机的指令集。
将输入的Java虚拟机代码在加载或执行时翻译成宿主机CPU的本地指令集（即JIT代码生成技术）。