Java虚拟机常用指令（二十二）

• 常量入栈指令
  • 该指令的功能是将常数压入操作数栈，根据数据类型和入栈内容的不同，又可以分为const系列，push系列和ldc指令；
    • const：用于特定的常量入栈，入栈的常量隐含在指令本身里。
      • 比如：aconst_null将null压入操作数栈；iconst_m1将-1压入操作数栈；
      • 指令助记符的第一个字符总是喜欢表示数据类型，i表示整数,l表示长整数，f表示浮点数，d表示双精度浮点，习惯上用a表示对象引用。如果指令隐含操作的参数，会以下划线形式给出；
    • push：主要包括bipush和sipush，它们的区别在于接收数据类型的不同，bipush接收8位整数作为参数，sipush接收16位整数，它们都将参数压入栈；
    • ldc：可接收一个8位的参数，该参数指向常量池中的int，float或者String的索引，将制定的内容压入堆栈；
      • 类似的还有ldc_w，它接收两个8位参数，能支持的索引范围大于ldc；
      • 如果要压入的元素是long或者double，则使用ldw2_w指令；
• 局部变量压栈指令
  • 该指令将给定的局部变量表中的数据压入操作数栈。
    • 这类指令大体可以分为：xload(x为i,l,f,d,a)，xload_n(x为i,l,f,d,a,n为0到3),xaload(x为i,l,f,d,a,b,c,s)；
    • x的取值表示数据类型：
      • 
  • 指令xload_n
    • 表示将第n个局部变量压入操作数栈，比如iload_1,fload_0,aload_0等指令。其中aload_n表示将一个对象引用压栈；
  • 指令xload
    • 通过指定参数的形式，把局部变量压入操作数栈，当使用这个命令时，表示局部变量的数量可能超过了4个，比如指令iload,fload等；
  • 指令xaload
    • 表示将数组的元素压栈，比如saload，caload分别表示压入short数组和char数组。指令xaload在执行时，要求操作数中栈顶元素为数组索引i，栈顶顺位第2个元素为数组引用a，该指令会弹出栈顶这两个元素，并将a[i]重新压入堆栈；
• 出栈装入局部变量表指令
  • 该指令用于将操作数栈中栈顶元素弹出后，装入局部变量表的指定位置，用于给局部变量赋值。这类指令主要以store的形式存在，比如xstore(x为i,l,f,d,a)，xstore_n(x为i,l,f,d,a,n为0到3)和xastore(x为i,l,f,d,a,b,c,s)。x的取值含义和load类命令是一样的。
  • 指令istore_1
    • 从操作数栈中弹出一个整数，并把它赋值给局部变量1。
  • 指令xstore
    • 没有隐含参数信息，故需要提供一个byte类型的参数类指定目标局部变量表的位置；
  • 指令xastore
    • 专门针对数组操作，以iastore为例，它用于给一个int数组的给定索引赋值；在iastore执行前，操作数栈订需要以此准备3个元素：值，索引，数组引用，iastore会弹出这3个值，并将值赋给数组中指定索引的位置；
  • 示例：

它生成的字节码中包含istore和iastore指令

其中，第0行字节码，压入常量99，第2行istore将99弹出，并赋给局部变量表6的变量，而该变量正好是X。接着在第4,5,6行分别压入iastore所需的3个参数， 最后调用iastore将77赋值给局部变量表第2位（int[] s）数组的第0个索引位置（s[0]）

• 通用型操作
  • 该操作提供了无需指明数据类型的操作。比如栈操作，不是在所有时刻对栈的压入或者弹出都必须明确数据类型的。
  • 指令NOP
    • 字节码为0x00，表示什么也不做。这条指令一般用于调式，占位等；
  • 指令dup
    • 意为duplicate复制，会将栈顶元素复制一份并再次压入栈顶，这样栈顶就有两份一摸一样的元素了；
  • 指令pop
    • 把一个元素从栈顶弹出，并且直接废弃
  • 示例：指令dup与pop的说明

编译成字节码后，内容如下：

为了生成Object对象，使用了对象创建指令new。创建完成后，new指令会把对象引用放置在栈顶，此时，栈顶只有一份对象引用。但是，在new指令之后，对该obj对象连续进行两次操作：一次是通过invokespecial指令调用对象的构造函数，另一次是通过astore_2将对象赋值给obj。这两个操作都会将栈顶元素弹出，故为了连续两次使用同样的栈顶元素，这里使用指令dup赋值了一份对象引用，供后面连续两次指令使用。在obj.toString()方法执行完毕后，函数的范围值会出现在栈顶，但是由于没有人使用，故简单地使用pop操作将无人问津的返回值直接丢弃；

注意：pop指令只能丢弃一个字长（32位），如果要丢弃栈顶64位数据（long或者double），则需要使用pop2命令，类似地，如果要连续复制栈顶2个字长，则可以使用dup2指令

• 类型转换指令
  • 该指令专门用于类型转换；这类指令的助记符使用x2y的形式给出。其中x可能是i,f,l,d,y可能是i,f,l,d,c,s,b。它们的含义见下表：
    • 
    • 比如：i2l表示将int数据转为long数据。指令i2l在执行时，先将栈顶的int数据弹出，然后进行转换。最后，将转化后的long型数据压入，如下图，转换后的Long型数字占用两个字空间；
      • 
  • 示例：

其字节码指令如下：

查看加粗的字节码，int转换为long使用了i2l，long转换为float使用了l2f， long转换为int使用了l2i;

• 示例：byte转换为int和long

对于byte类型转为int，虚拟机并没有做实质性的转化处理，只是简单地通过操作数栈交换了两个数据。而将byte转为long时，使用的是i2l，可以看到在内部byte在这里等同于int处理，类似的还有short。这种处理方式有两个特点： 1.可以减少实际的数据类型，如果为short和byte都准备一套指令，那么指令的数量会大增，而虚拟机目前的设计上，只愿意使用一个字节表示指令，因此指令总数不能超过256个，为了节省指令资源，将short和byte当作int处理； 2.由于局部变量表中的槽位固定为32位，无论是byte或者short存入局部变量表，都会占用32位空间，从这个角度说，也没有必要特意区分这几种数据类型；

• 运算指令
  • 该指令为虚拟机提供基本的加减乘除运算功能；每种指令也有自己支持的数据类型，使用一个字符表示：

以乘法指令为例，imul表示从操作数栈中弹出两个整数，将它们相乘，结果再压入栈。指令lmul表示long型，fmul表示对float的操作，dmul表示对double的乘法； 取余指令用于计算两个数相除后的余数，比如,i%j就会产生irem指令；

• 示例：数值取反指令改变数字的符号位

生成的字节码如下：

指令fneg操作前后，操作数栈没有变化，只是栈顶的元素符号位被取反；

• 示例：指令iinc对给定的局部变量做自增操作，这条指令是少数几个执行过程中完全不修改操作数栈的指令。它接收两个操作数：
  第1个局部变量表的位置，第2个位累加数。比如常见的i++,就会产生这条指令

生成的字节码如下：

在参数中，this,j占据了局部变量表的第0和第1个位置，故i处于第2个位置

• 示例：位运算指令由位运算符产生，除了按位取反，其它的位运算符都有对应的指令，现在演示按位取反：

生成的字节码：

ixor为整数的按位异或操作，它从栈中弹出两个整数，并将它们按位异或，将结果再压入栈中。 在ixor执行前，压入栈中的数字为i=123以及-1(iconst_ml)，因此，在虚拟机中，按位取反是通过与-1异或计算得来的。 注意：-1的2进制表示为一个全1的数字0xFF，任何数字与0xFF异或后，自然取反；

• 对象/数组操作指令
  • 对于对象的操作指令，可进一步细分为创建指令，字段访问指令，类型检查指令，数组操作指令
  • 创建指令
    • 用于创建对象或数组，主要有：new,newarray,anewarray和multianewarray；
    • 该接收一个操作数，为指向常量池的索引，表示要创建的类型，执行完成后，将对象的引用压入栈；
    • 示例：指令newarray和anewarray用来创建数组。前者用于创建基本类型的数组，后者用于创建对象数组。指令multianewarray用于创建多维数组。

这段代码创建了一个int数组，一个Object数组和一个int二维数组，因此它依次使用了newarray,anewarray和multianewarray;

• 字段访问指令
  • 该指令专门用于访问类或者对象的字段；主要有：getfield，putfield，getstatic，pustatic4个；
  • getfield，putfield用于操作实例对象的字段，getstatic，pustatic用于操作类的静态字段；
  • 示例：

java编译器会为这条语句产生如下getstatic指令，用于将system.out这个静态字段压入操作数栈。这段指令显示，常量池第21号为Fieldref，它指向System.out静态字段，字段类型为java/io/PrintStream

• 类型检查指令
  • 该指令有两个：checkcast，instanceof
  • checkcast：用于检查类型强制转换是否可以进行。如果可以进行，checkcast指令不会改变操作数栈，否则它会抛出ClassCastException异常；
  • instanceof：用来判断给定对象是否是某一个类的实例，它会将判断结果压入操作数栈；
  • 示例：

该代码使用了instanceof关键字，并使用了强制转换，它们分别会产生instanceof和checkcast两个字节码 它们都接收一个操作数，并判断栈顶层元素是否可以转为该操作数给定的类型

• 比较控制指令
  • 该指令代表条件控制。大体上分为比较指令，条件跳转指令，比较条件跳转指令，多条件分支跳转，无条件跳转指令等；
  • 比较指令
    • 作用：比较栈顶两个元素的大小，并将比较结果入栈。
    • 指令：dcmpg,dcmpl,fcmpg,fcmpl,lcmp；首字符d表示double类型，f表示float，l表示long；对于double和float的数字，由于NaN的存在，所有有两个版本，以float为例，有fcmpg和fcmpl两个指令，它们的区别在于数字比较时，若遇到NaN值，处理结果不同；
      • 指令fcmpg和fcmpl都从栈中弹出两个操作数，并将它们做比较，设栈顶的元素为v2，栈顶顺位第2位的元素为v1，若v1=v2，则压入0，若v1>v2则压入1，若v1则压入-1。两个指令的不同之处在于，如果遇到NaN值，fcmpg会压入1，而fcmpl压入-1
      • 指令dcmpg,dcmpl类似；
  • 跳转指令
    • 作用：该指令一般与比较指令结合使用。
    • 指令：ifeq,iflt,ifle,ifne,ifgt,ifge,ifnull,ifnonnull；这些指令都接收两个字节的操作数，用于计算跳转的位置。
    • 统一含义：弹出栈顶元素，测试它是否满足某一个条件，如果满足条件，则跳转到给定位置。在条件跳转指令执行前，一般可以先用比较指令进行栈顶元素的准备，然后再进行条件跳转；
    • 示例：

第9行和第10行在栈顶准备了两个比较元素。第11行指令对栈顶两个元素进行比较，第12行ifle获取栈顶的结果，并确认是否需要跳转

• 比较条件跳转指令
  • 该指令类似于比较指令和条件跳转指令的结合体；
  • 指令：if_icmpeq,if_icmpne,if_icmplt,if_icmpgt,if_icmple,if_icmpge,if_acmpeq,if_acmpne；
    • 为助记符加上"if_"后，以字符"i"开头的指令针对int整数操作（包括short和byte），以字符"a"开头的指令表示对象引用的比较；
    • 这些指令都接收两个字节的操作数作为参数，用于计算跳转的位置。同时在执行指令时，栈顶需要准备两个元素进行比较。指令执行后，栈顶的这两个元素被清空，且没有任何数据入栈。如果预设条件成立，则执行跳转，否则，继续执行下一条语句；
  • 示例：

第9和第10行将需要比较的数字压入栈，第11行执行比较，如果条件成立则跳转18行输出0，否则继续执行后一条指令输入1

• 示例：如果比较的元素是对象，那么就会使用if_acmpeq和if_acmpne指令

第9，10行和第35，36行，分别压入栈顶元素比较，第21和第37行执行对象引用的比较并确认是否需要跳转

• 多条件分支跳转
  • 专为switch-case语句设计。主要有tableswitch和lookupswitch；
    • 区别：
      • tableswitch：要求多个条件分支值是连续的，它内部只存放起始值和终止值，以及若干个跳转偏移量，通过给定的操作数index，可以立即定位到跳转偏移量，因此效率比较高；
      • lookupswitch：内部存放着各个离散的case-offset对，每次执行都要搜索全部的case-offset对，找到匹配的case值，并根据对应的offset计算跳转地址，因此效率较低；

由于tableswitch的case值是连续的，因此只需要记录最低值和最高值，以及每一项对应的offset偏移量，给定的index值，计算出对应的offset。

lookupswitch处理的是离散的case值，但是处于效率考虑，将case-offset对按照case值大小排序，给定index时，需要查找与index相等的case，获得其offset，如果找不到则跳转到default

• 示例：tableswitch指令

由于case值是连续的，编译器生成了tableswitch指令来处理switch

• 示例：lookupswitch指令

case值不连续，使用lookupswitch指令。从字节码体积上看，lookupswitch占用的空间更多。

• 示例：JDK1.7中，switch对字符串的处理，使用的是lookupswitch指令

为了支持String的switch操作，在字节码第三行调用了字符串的hashCode()方法，得到int整数。在lookupswitch指令中，实际使用该hash值作为分支的case. 如果hash值没有匹配的，则必然字符串也没有匹配的，因此可以直接执行default出的指令，但如果hash值匹配，考虑到hash冲突的存在，这里并没有进行匹配后的指令，还是对匹配进行二次确认。 在第43行使用String.equals()函数判断字符串是否真的相等。如果确实相等，则执行对应的语句，否则跳转退出。 综上，当使用String作为case类型时，虚拟机要多执行hash计算以及字符串相等等操作，性能也会低于直接对int的处理

• 无条件跳转
  • 该跳转指令为goto。指令jsr,ret虽然也是无条件跳转的，但主要用于try-finally语句，且已经被虚拟机废弃；
  • goto接收两个字节的操作数，共同组成一个带符号的整数，用于指定指令的偏移量，指令执行的目的就是跳转到偏离量给定的位置处；
  • 如果偏移量太大，超过双字节的带符号整数的范围，则可以使用指令goto_w，它和goto有相同的作用，但它接收4个字节作为操作数，可以达到更宽的地址范围；

• 函数调用与返回指令
  • 使虚拟机支持函数调用
  • 函数调用指令：invokevirtual,invokeinterface,invokespecial,invokestatic,invokedynamic；
  • 函数返回：需要将返回值压入调用者操作数栈，需要使用xreturn指令（x可以是i,l,f,d,a或空）
  • 函数指令的作用范围：
    • invokevirtual：虚函数调用，调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行派发，支持多态；
    • invokeinterface：指接口方法的调用，当被调用对象申明为借口时，使用该指令调用接口的方法；
    • invokespecial：调用特殊的一些方法，比如构造函数，类的私有方法，父类的方法。这些方法是静态类型绑定的，不会在调用时进行动态派发；
    • invokestatic：调用类的静态方法，这个也是静态绑定的；
    • invokedynamic：调用动态绑定的方法，JDK1.7新加入的指令；
  • 函数调用结束前，需要进行返回。返回时，使用xreturn指令将返回值存入调用者的操作数栈中。根据返回值，该指令的前缀会不同。
    • 返回int时，指令为ireturn,返回为void时，使用return;
    • 该指令被调用时，如果方法是同步的，那么调用后，监视器锁将被释放；
  • 示例：指令invokevirtual的使用

以上代码产生如下字节码：

invokevirtual指令在这里调用了PrintStream实例的println()方法。调用前，操作数栈中将压入调用对象的实例，以及该函数的所有参数。 在本例中为System.out实例和字符"aa"。 指令invokevirtual需要两个字节作为操作数，用于计算指向常量池的索引，这里索引必须指向CONSTANT_Methodref入口，表示需要调用的方法；

• 示例：invokeinterface指调用接口的函数：

	该代码生成了Thread对象，并调用了它的run()方法。Thread类实现了Runnable接口。 这里使用两种方式调用run()： 第一种直接在Thread申明的实例上调用； 第二种将其转为接口类型Runnable，再进行调用； 这两种调用方式使用的invoke指令是不同的，如左下的图；
	字节码指令中第9行，使用invokevirtual指令，是直接针对Thread对象的调用，第13行，则是针对Runnable接口的调用。和invokervirtual不同，invokeinterface在调用时，需要额外传入1个字节，作为无符号整数，表示这次函数调用所需参数的字数（1字为32位），包含隐含的this。 本例，函数没有参数，只需要当前引用this，故数字为1

• 示例：invokespecial用于调用特殊的函数，该指令调用时，接收两个字节作为其操作数，用于计算常量池索引入口，且该入口必须为CONSTANT_Methodref。

指令invokespecial调用了Date类的构造函数

• 示例：调用类的私有方法；由于类的私有方法不具有多态性，即使在子类中有相同签名的私有方法，也不能覆盖父类中对应的私有方法的行为，因此对于私有方法调用可以使用静态绑定

	invokespecial在调用父类方式，通过操作数直接指向父类的toString()方法，从而避免了子类toString()方法的使用

• 同步控制
  • Java虚拟机提供了monitorenter,monitorexit来完成临界区的进入和离开。达到多线程的同步；
    • 当一个线程进入同步快时，它使用monitroenter指令请求进入，如果当前对象的监视器计数器为0，则它会被准许进入，若为1，则判断持有当前监视器的线程是否为自己，如果是，则进入，否则进行等待，直到对象的监视器计数器为0，才会被允许进入同步块；
    • 当线程退出同步块时，需要使用monitorexit申明退出。
    • 在java虚拟机中，任何对象都有一个监视器与之相关联，用来判断对象是否被锁定，当监视器被持有后，对象处于锁定状态；
  • monitorenter,monitorexit在执行时，都需要在操作数栈顶压入对象，之后，monitorenter,monitorexit的锁定和释放都是针对这个对象的监视器
    • 图示：当线程4离开临界区后，线程1，2，3才有可能进入
      • 
  • 示例：monitorenter,monitorexit使用示例

	在类SyncAdd方法中，有方法add1()和add2()，它们都对当前this对象进行加锁，并对实例字段i进行更新。对于add1()，字节码如下： 此段代码和无同步的代码没有什么区别，没有monitroenter和monitorexit进行同步区控制。 因为对于同步方法而言，当虚拟机通过方法的访问标识符判断是一个同步方法时，会自动在方法调用前进行加锁，当同步方法执行完毕后，不管方法是正常结束还是有异常抛出，均会由虚拟机释放这个锁。因此，对于同步方式而言，monitroenter和monitorexit指令是隐式存在的，并未直接出现在字节码中。
add2()的字节码如下：	该段字节码的解析如下： 第0行将this引用入栈； 第1行复制this引用，并入栈； 第2行将this引用弹出，存入第1个局部变量： 第3行根据栈顶的this引用进行加锁； 第4~14行执行了i++操作； 第15行表示释放锁，此时，i++已经完成； 第16行跳转到第22行，并退出； 如果在第4~16行执行期间，遇到任何异常，则进入第19行处理； 第19行将第1个局部变量入栈，该变量就是this，由第2行存入。 第20行根据栈顶的this，退出临界区，释放锁； 第21行抛出当前发生的异常，异常对象位于栈顶；