JVM：字节码指令。

叁歲伎倆 2022-01-29 13:45 280阅读 0赞

# 加载和存储指令 #

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\_<n>、lload、lload\_<n>、fload、fload\_<n>、dload、dload\_<n>、aload、aload\_<n>。

*  将一个数值从操作数栈存储到局部变量表：

> istore、istore\_<n>、lstore、lstore\_<n>、fstore、fstore\_<n>、dstore、dstore\_<n>、astore、astore\_<n>。

*  将一个常量加载到操作数栈：

> bipush、sipush、ldc、ldc\_w、ldc2\_w、aconst\_null、iconst\_ml、iconst\_<i>、lconst\_<l>、fconst\_<f>、dconst\_<d>。

*  扩充局部变量表的访问索引的指令：

> wide。

上面所列举的指令的指令助记符中，有一部分是以尖括号结尾的（例如iload\_<n>），这些指令助记符实际上是代表了一组指令（例如iload\_<n>，他代表了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，他们省略掉了显示的操作数，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，他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）。这种指令表示方法在本书以及《Java虚拟机规范》中都是通用的。

# 运算指令 #

运算或算术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。大体上算术指令可以分为两种：对整型数据进行运算的指令与对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。

Java虚拟机的指令集直接支持了在《Java语言规范》中描述的各种对整数及浮点数操作的语义。数据运算可能会导致溢出，例如两个很大的正整数相加，结果可能会是一个负数，这种数学上不可能出现的溢出现象，对于程序员来说是很容易理解的，但其实Java虚拟机规范没有明确定义过整型数据溢出的具体运算结果，仅规定了在处理整型数据时，只有除法指令（idiv和ldiv）以及求余指令（irem和lrem）中当出现除数为零时会导致虚拟机抛出ArithmeticException异常，其余任何整型数运算场景都不应该抛出运行时异常。

Java虚拟机规范要求虚拟机实现在处理浮点数时，必须严格遵循IEEE 754规范中所规定的行为和限制。也就是说，Java虚拟机必须完全支持IEEE 754中定义的非正规浮点数值（Denormalized Floating-Point Numbers）和逐级下溢（Gradual Underflow）的运算规则。这些特征将会使某些数值算法处理起来变得相对容易一些。

Java虚拟机要求在进行浮点数运算时，所有的运算结果都必须舍入到适当的精度，非精确的结果必须舍入为可被表示的最接近的精确值，如果有两种可表示的形式与该值一样接近，将优先选择最低有效位为零的。这种摄入模式也是IEEE 754规范中的默认舍入模式，称为向最接近数舍入模式。

另外，Java虚拟机在处理浮点数运算时，不会抛出任何运行时异常（这里所讲的是Java语言中的异常，勿与IEEE 754规范中的浮点异常互相混淆，IEEE 754的浮点异常是一种运算信号），当一个操作产生溢出时，将会使用有符号的无穷大来表示，如果某个操作结果没有明确的数学定义的话，将会使用NaN值来表示。所有使用NaN值作为操作数的算术操作，结果都会返回NaN。

在对long类型数值进行比较时，虚拟机采用带符号的比较方式，而对浮点数值进行比较时（dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl），虚拟机会采用IEEE 754规范所定义的无信号比较（Nonsignaling Comparisons）方式。

# 类型转换指令 #

类型转换指令可以将两种不同的数值类型进行相互转换，这些转换操作一般用于实现用户代码中的显式类型转换操作，或者用来处理字节码指令几种数据类型相关指令无法与数据类型一一对应的问题。  
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。

相对的，处理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。这点很容易理解，因为原来符号位处于数值的最高位，高位被丢弃之后，转换的符号就取决于低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类型的窄化转换雷过程与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值将按规定转化为float类型的NaN值。  
尽管数据类型窄化转换可能会发生上限溢出、下限溢出和精度丢失等情况，但是Java虚拟机规范中明确规定数值累心的窄化转换指令永远不可能导致虚拟机抛出运行时异常。

# 对象与访问指令 #

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（static字段，或者称为类变量）和实例字段（非static字段，或者称为实例变量）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、checkcasts。

# 操作数栈管理指令 #

如同操作一个普通数据结构中的堆栈那样，Java虚拟机提供了一些用于直接操作数栈的指令，包括：

*  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。

# 控制转移指令 #

控制转移指令可以让Java虚拟机有条件或无条件的从指定的位置指令而不是控制转移指令的下一条指令继续执行程序，从概念模型上理解，可以认为控制转移指令就是在有条件或无条件的修改PC寄存器的值。控制转移指令如下。

*  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。
 *  符合条件分支：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，为了可以无需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。

与算术运算时的规则一致，对于boolean类型、byte类型、char类型和short类型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），运算指令会返回一个整形值到操作数栈中，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。

# 方法调用和返回指令 #

以下是5条用于方法调用的指令。

*  invokevirtual指令用于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），这也是Java语言中最常见的方法分派方式。
 *  invokeinterface指令用于调用接口方法，他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指令用于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指令用于调用类方法（static方法）。
 *  invokedynamic指令用于运算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。

# 异常处理指令 #

在Java程序中显示抛出异常的操作（throw 语句）都由athrow指令来实现，除了用throw语句显式抛出异常情况之外，Java虚拟机规范还规定了许多运行时异常会在其他Java虚拟机指令检测到异常状况时自动抛出。例如，在整数运算中，当除数为零时，虚拟机会在idiv或ldiv指令中抛出ArithmeticException异常。

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（很久之前曾经使用jsr和ret指令来实现，现在已经不用了），而是采用异常表来完成的。

# 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，这两种同步结构是使用管程（Monitor）来支持的。

方法级的同步是隐式的，即无需通过字节码指令来控制，他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，譬如下面代码。

void onlyMe (Foo f) {
    
        synchronized (f) {
    
            doSomething();
    
        }
    
    }

编译后，这段代码生成的字节码序列如下：

> ![20180411102808389][]

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。

从上面的字节码序列汇总可以看到，为了保证在方法异常完成时monitorenter和monoitorexit指令依然剋有正确配对执行，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，他的目的就是用来执行monitorexit指令。

[20180411102808389]: /images/20220129/8ee4ea1467e94844944218ccb1614871.png