一小篇文章教你看懂Java字节码
1.认识JVM内存模型
public class Test {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello World!");
}
}
Java HelloWord 代码到底是如何执行的呢，要了解代码的执行过程，必须要了解一下JVM的内存模型，这里，我说一下我对JVM的理解，先上一张好图
JVM是这样定义的，虚拟机(VM: Virtual Machine)是通过软件模拟物理机器执行程序的执行器。
这里，我们其实我们可以把JVM的执行过程类比成你想要制作某样东西的过程，例如玩具车，首先，得有原料，然后进行加工，而加工过程中，你得按步骤来是吧，每一步要做什么，用到什么，你得心理清楚吧，这样你才能一步步的进行，加工完成你最初想要的东西。这里，Class文件看做是生产原料，放在方法区，这里是最初的开始，即所有线程共享的地方，然后堆中的东西可以看做是单独加工好的一个个成型的零件，待组装的零件，这里也是所有线程共享的，而线程可以看做我们一次次制作的过程，因为每次我们加工是互不影响的，所以线程所使用到的内存数据都是相互独立的，一切准备就绪，好了你准备加工了，可是你怎么知道原料（类）具体有什么呢，所以有了一个清单，即常量池，运行的时候就会变成运行时常量池，这里列出了原料(类)的详细信息，以便让你方便查询使用，而程序计数器其实是记录了我们的加工步骤，如果你加工的时候突然有事，你可以先去办别的事，然后再回来继续，可以通过程序计数器，就可以定位到你上次执行到哪一步，看起来很妙不是吗。这里虚拟机栈就是核心步骤了，即开始进行制作，在虚拟机栈操作这一步，极其关键，这里会来回的操作数据，即入栈出栈，对，搞半天代码执行就是入栈出栈操作，这里我们有一块区域叫做局部变量表，在虚拟机栈这里当做临时存储区域，在进行虚拟机栈入栈和出栈的时候，会来回在局部变量表里取数据和存数据。
另外，上图提到的执行引擎，这个其实是相当复杂的，执行引擎包含了解释器、即时编译器和垃圾回收器，解释器和编译器是为了跨平台使用的，因为代码最终执行是要经过操作系统，然后又进行CPU指令调度，但是我们的操作系统又有不同的版本，所有为了适配所有的操作系统，用解释器来进行翻译，将java字节码翻译成不同操作系统要执行的机器语言，进行CPU调度，这玩意就是个胖翻译啊！另外，垃圾回收器主要就是负责GC回收的，这里先有个大概了解吧，还有本地方法，是java直接调的操作系统底层的方法。对JVM的内存模型有了初步认识后，下面我们来看看JVM是怎么去执行Java代码的。
2.读懂JVM字节码（助记符）
一段Java代码写完后，我们需要编译才能进行运行的，而JVM是将我们的Java代码编译成了Class字节码文件，这个Class字节码只能JVM可以识别，也就是这样，通过安装JVM得以实现跨平台执行，那么JVM是怎么执行Java代码的呢，通过查阅资料，深知，JVM是通过读取字节码文件中的一个一个操作指令，每个操作指令对应着二进制位，JVM通过执行操作指令就可以执行相关代码，而通过二进制位去看操作指令是相当难理解的，为此，JDK给我们提供了一写可用的分析性工具，其中通过javap 这个命令我们可以对字节码反编译成我们好理解的代码，反编译过后，所有的操作指令都变成了我们人类看得懂的助记符，通过它，我们可以直接对字节码进行间接性的认识，从而进一步了解我们的代码是怎么被执行的。
Javap的相关命令选项
-help 输出 javap 的帮助信息。
-l 输出行及局部变量表。
-b 确保与 JDK 1.1 javap 的向后兼容性。
-public 只显示 public 类及成员。
-protected 只显示 protected 和 public 类及成员。
-package 只显示包、protected 和 public 类及成员。这是缺省设置。
-private 显示所有类和成员。
-J[flag] 直接将 flag 传给运行时系统。
-s 输出内部类型签名。
-c 输出类中各方法的未解析的代码，即构成 Java 字节码的指令。
-verbose 输出堆栈大小、各方法的 locals 及 args 数,以及class文件的编译版本
-classpath[路径] 指定 javap 用来查找类的路径。如果设置了该选项，则它将覆盖缺省值或 CLASSPATH 环境变量。目录用冒号分隔。
-bootclasspath[路径] 指定加载自举类所用的路径。缺省情况下，自举类是实现核心 Java 平台的类，位于 jrelib下面。
-extdirs[dirs] 覆盖搜索安装方式扩展的位置。扩展的缺省位置是 jrelibext。
HelloWord的字节码是如何执行的呢？
下面是使用javap -v 反编译HelloWord程序的字节码,我都标注了每一处具体是干啥的
Last modified 2022-5-4; size 544 bytes //修改时间，所需要的的字节大小
MD5 checksum e603dd8515c39e94ee7169795b7cab14 //MD5 检验码
Compiled from "Test.java" //编译的源程序文件
public class com.xlape.jvm.Test //类
minor version: 0
major version: 52//这两处是代表着jdk的版本，50是JDK1.6,51是jDK1.7,52是JDK1.8
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER //访问修饰符
Constant pool://编译期常量池，运行时会指向具体的索引地址，类的相关信息会存储在这里，后面指令调用的时候都会来常量池中取对应的东西
#1 = Methodref #6.#20 // java/lang/Object."":()V
#2 = Fieldref #21.#22 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#3 = String #23 // Hello World!
#4 = Methodref #24.#25 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
#5 = Class #26 // com/xlape/jvm/Test
#6 = Class #27 // java/lang/Object
#7 = Utf8 <init>
#8 = Utf8 ()V
#9 = Utf8 Code
#10 = Utf8 LineNumberTable
#11 = Utf8 LocalVariableTable
#12 = Utf8 this
#13 = Utf8 Lcom/xlape/jvm/Test;
#14 = Utf8 main
#15 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#16 = Utf8 args
#17 = Utf8 [Ljava/lang/String;
#18 = Utf8 SourceFile
#19 = Utf8 Test.java
#20 = NameAndType #7:#8 // "":()V
#21 = Class #28 // java/lang/System
#22 = NameAndType #29:#30 // out:Ljava/io/PrintStream;
#23 = Utf8 Hello World!
#24 = Class #31 // java/io/PrintStream
#25 = NameAndType #32:#33 // println:(Ljava/lang/String;)V
#26 = Utf8 com/xlape/jvm/Test
#27 = Utf8 java/lang/Object
#28 = Utf8 java/lang/System
#29 = Utf8 out
#30 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#31 = Utf8 java/io/PrintStream
#32 = Utf8 println
#33 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
{
public com.xlape.jvm.Test();//默认的构造方法
descriptor: ()V //无参构造
flags: ACC_PUBLIC //访问修饰符为PUBLIC
Code://要执行的代码片段
stack=1, locals=1, args_size=1 //栈的深度|本地局部变量表长度|参数个数
0: aload_0 //将本地局部变量表的第0号位置加载到操作数组栈，0号位置是指this
1: invokespecial #1 //调用默认构造函数方法 // Method java/lang/Object."":()V
4: return //返回
LineNumberTable: //行号表，记录源代码和字节码对应的行号
line 3: 0 //源代码行号|字节码行号
LocalVariableTable: //局部变量表
Start Length Slot Name Signature //字节码的偏移量起始位置|字节码的偏移量结束位置|存储的基本单位，槽位，索引位|变量名|方法签名
0 5 0 this Lcom/xlape/jvm/Test;
public static void main(java.lang.String[]); //main方法
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V //参数描述，有一个String的参数变量
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC //访问修饰符
Code: //代码片段
stack=2, locals=1, args_size=1 //栈的深度|本地局部变量表长度|参数个数
0: getstatic #2 //去常量池中找2号位置，如果还有引用，依次往下找 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3 //将3号位置Hello World入操作数组栈 // String Hello World!
5: invokevirtual #4 //调用 4号位置中的方法输出 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return //放回
LineNumberTable:
line 5: 0
line 6: 8 //源代码行号|字节码行号
LocalVariableTable: //局部变量表
Start Length Slot Name Signature //字节码的偏移量起始位置|字节码的偏移量结束位置|存储的基本单位，槽位，索引位|变量名|方法签名
0 9 0 args [Ljava/lang/String;
}
通过对HelloWorld程序的反编译分析知道，如果进行方法调用，则会按照相应的代码操作指令去一步步执行，在指令调用的时候，会从常量池中拿取相关信息，压人操作数栈，并且执行相关的方法，在给局部变量赋值的时候，会调用指令将数据存入局部变量表中，相反在使用局部量的时候，会从局部变量表中拿去数压入操作数栈，进行相关方法的调用以及返回。
也通过以上了解了java字节码的执行细节，当然JVM底层要做的远远不止这些，并且以上只是对Hellword这个程序进行了反编译，实际还有更复杂的类和方法体，会出现更多的操作指令，这里摘抄了一篇好文中对于JVM操作指令的总结：便于后面查阅和使用
栈操作相关
-
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 |
对象相关
| 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 | 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 | 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
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
类型转换
类型转换用于将两种不同类型的数值进行转换。
-
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。
-
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。
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
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。
以上只是包含我对JVM的一点认识，后面我会深入了解JVM更多的相关知识，但是我知道，通过本文学习至少能看懂JVM的字节码指令了，能通过Javap 的命令进行字节码分析，从而对java代码的执行原理有了进一步的理解，我觉得这是每一个Java程序员都应该具备的能力，如果有什么写的不对的，欢迎留言指出，大家共同进步！
革命尚未成功，猿某人还需努力啊!
参考资料：
图片来源
指令总结摘抄自