【JVM】字节码指令

柔光的暖阳◎ 2024-03-26 18:35 89阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  1. 方法的执行流程
 *   *  1.1 常量池载入运行时常量池
     *  1.2 方法字节码载入方法区
     *  1.3 main线程开始运行，分配栈帧内存
     *  1.4 执行引擎开始执行字节码
 *  2. 条件判断
 *   *  2.1 源码分析
 *  3. 循环控制指令
 *   *  3.1 源码分析

## 1. 方法的执行流程 ##

原始Java代码

public class Demo3_1 {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            int a = 10;
            int b = Short.MAX_VALUE + 1;
            int c = a + b;
            System.out.println(c);
        }
    }

编译后的字节码文件

[root@localhost ~]# javap -v Demo3_1.class
    Classfile /root/Demo3_1.class
    Last modified Jul 7, 2019; size 665 bytes
    MD5 checksum a2c29a22421e218d4924d31e6990cfc5
    Compiled from "Demo3_1.java"
    public class cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_1
    minor version: 0
    major version: 52
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
    Constant pool:
    #1 = Methodref #7.#26 // java/lang/Object."<init>":()V
    #2 = Class #27 // java/lang/Short
    #3 = Integer 32768
    #4 = Fieldref #28.#29 //
    java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
    #5 = Methodref #30.#31 // java/io/PrintStream.println:(I)V
    #6 = Class #32 // cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1
    #7 = Class #33 // java/lang/Object
    #8 = Utf8 <init>
    #9 = Utf8 ()V
    #10 = Utf8 Code
    #11 = Utf8 LineNumberTable
    #12 = Utf8 LocalVariableTable
    #13 = Utf8 this
    #14 = Utf8 Lcn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1;
    #15 = Utf8 main
    #16 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
    #17 = Utf8 args
    #18 = Utf8 [Ljava/lang/String;
    #19 = Utf8 a
    #20 = Utf8 I
    #21 = Utf8 b
    #22 = Utf8 c
    #23 = Utf8 MethodParameters
    #24 = Utf8 SourceFile
    #25 = Utf8 Demo3_1.java
    #26 = NameAndType #8:#9 // "<init>":()V
    #27 = Utf8 java/lang/Short
    #28 = Class #34 // java/lang/System
    #29 = NameAndType #35:#36 // out:Ljava/io/PrintStream;
    #30 = Class #37 // java/io/PrintStream
    #31 = NameAndType #38:#39 // println:(I)V
    #32 = Utf8 cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1
    #33 = Utf8 java/lang/Object
    #34 = Utf8 java/lang/System
    #35 = Utf8 out
    #36 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
    #37 = Utf8 java/io/PrintStream
    #38 = Utf8 println
    #39 = Utf8 (I)V
    {
    public cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
    stack=1, locals=1, args_size=1
    0: aload_0
    1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."
    <init>":()V
    4: return
    LineNumberTable:
    line 6: 0
    LocalVariableTable:
    Start Length Slot Name Signature
    0 5 0 this Lcn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1;
    public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
    stack=2, locals=4, args_size=1
    0: bipush 10
    2: istore_1
    3: ldc #3 // int 32768
    5: istore_2
    6: iload_1
    7: iload_2
    8: iadd
    9: istore_3
    10: getstatic #4 // Field
    java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
    13: iload_3
    14: invokevirtual #5 // Method
    java/io/PrintStream.println:(I)V
    17: return
    LineNumberTable:
    line 8: 0
    line 9: 3
    3）常量池载入运行时常量池
    4）方法字节码载入方法区
    5）main 线程开始运行，分配栈帧内存
    （stack=2，locals=4）
    line 10: 6
    line 11: 10
    line 12: 17
    LocalVariableTable:
    Start Length Slot Name Signature
    0 18 0 args [Ljava/lang/String;
    3 15 1 a I
    6 12 2 b I
    10 8 3 c I
    MethodParameters:
    Name Flags
    args
    }

--------------------

### 1.1 常量池载入运行时常量池 ###

首先，会由JVM的类加载器把main方法所在的这个类进行一个类加载的操作。

也就是字节码文件读取到内存中来。其中常量池这部分的数据，会放在内存的运行时常量池中。

不知道什么是运行时常量池的同学可以看看这个[【JavaSE】浅析String与StringTable\_起名方面没有灵感的博客-CSDN博客][JavaSE_String_StringTable_-CSDN]

![image-20230306223426646][]

一些比较小的数字，比如10这样的数字，并不存储在运行时常量池的，它是跟着方法的字节码指令存储在一起的。

一旦这个数字超过了整数的最大值（`Short.MAX_VALUE`），那么就会存储在常量池中。

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### 1.2 方法字节码载入方法区 ###

方法的一些字节码，则会放在方法区

![image-20230306224057252][]

--------------------

### 1.3 main线程开始运行，分配栈帧内存 ###

在栈帧中有两个东西，分别是局部变量表和操作数栈。

在字节码文件中已经规定了这两个东西的大小了。

Code:
    stack=2, locals=4, args_size=1

也就是操作数栈为2，而局部变量表为4。

![image-20230306224233281][]

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### 1.4 执行引擎开始执行字节码 ###

根据方法区的字节码文件，执行流程如下。

**执行`bipush 10`**，这个指令的意思是将一个byte压进操作数栈（其长度会补齐4字节），类似的指令还有

*  `sipush`将一个`short`压进操作数栈（其长度会补齐4个字节）
 *  `ldc`将一个`int`压入操作数栈
 *  `ldc_w`将一个`long`压入操作数栈（分两次压进，因为`long`是8字节）
 *  而小的数字都是和字节码指令存在一起的，超过`short`范围的数字存储在常量池

![image-20230307104059705][]

接着，**执行`istore_1`**，这个之林的意思就是存入局部变量表`slot 1`

![image-20230307104317435][]

`ldc #3`，这个指令是从常量池`#3`数据加载到操作数栈中

![image-20230307104435272][]

`istore2`，接着将操作数栈中的32768放置在局部变量表的2号槽位。

![image-20230307104554000][]

`iload1 与 iload2`指令是将局部变量表的1号与2号位置的数据依次放置进操作数中

![image-20230307104711304][]

![image-20230307104719638][]

`isadd`，这个指令对应的就是加法运算，执行引擎会去执行`add`，操作数栈会弹出两个变量，执行引擎完成`add`操作后，会再次压进操作数栈

![image-20230307105020947][]

`istore 3`接着将操作数栈中的变量弹出，放置在3号位置中，也就是赋值给c

![image-20230307105107244][]

`getstatic #4`，到常量池中查找一个静态对象，加载进操作数中，接着`load 3`将3号槽位的数据压进操作数，`invokevirtual #5`指令就是找到常量池\#5项，定位到方法去`java/io/PrintStream.println(I)`方法，生成新的栈帧，传递参数并执行新栈帧的字节码

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-B9AX35Ax-1678159317918)(https://lnnu-tuchuang.oss-cn-guangzhou.aliyuncs.com/img/image-20230307105849420.png)\]

执行完毕后，弹出栈帧，并且清除main操作数栈的内容。

![image-20230307105927217][]

最后return，完成main方法的调用，弹出main栈帧，程序结束。

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## 2. 条件判断 ##

条件判断的指令如下图所示

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-XCr9T3UI-1678159317919)(https://lnnu-tuchuang.oss-cn-guangzhou.aliyuncs.com/img/image-20230307110332183.png)\]

需要注意的是，**byte，short，char 都会按 int 比较，因为操作数栈都是 4 字节**

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### 2.1 源码分析 ###

public class Demo3_3 {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            int a = 0;
            if(a == 0) {
        
                a = 10;
            } else {
        
                a = 20;
            }
        }
    }

0: iconst_0
    1: istore_1
    2: iload_1
    3: ifne 12
    6: bipush 10
    8: istore_1
    9: goto 15
    12: bipush 20
    14: istore_1
    15: return

1.  `iconst_0`，得到一个0的常量，压进操作数栈中
2.  `istore_1`，将这个操作数栈的这个元素放到局部变量表的1号位置，也就是给a赋值为0
3.  `iload_1`，再将a的值压进操作数栈
4.  `ifne 12`，判断是否 `==` 0
    
    1.  如果 `!=` 0，那么就跳到12行字节码指令`bipush 20`中区，也就是向操作数栈中压入20，`istore_1`，将a赋值为20.
    2.  如果 `==` 0，那就是继续执行`bipush 10`和`istore_1`，将a赋值为10，并且执行`goto 15`的时候，跳到第15行`return`

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## 3. 循环控制指令 ##

循环控制指令其实和条件判断差不多，只是利用了`goto`进行了循环

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### 3.1 源码分析 ###

public class Demo3_4 {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            int a = 0;
            while (a < 10) {
        
                a++;
            }
        }
    }

0: iconst_0
    1: istore_1
    2: iload_1
    3: bipush 10
    5: if_icmpge 14
    8: iinc 1, 1
    11: goto 2
    14: return

1.  `iconst_0` 与 `istore_1`，将a赋值为0。
2.  `iload_1`将a的值压进操作数栈
3.  `bipush 10`，将10压进操作数栈
4.  `if_icmpge 14`，判断两个int是否`>=`，如果不成立，则跳到14行指令去
5.  如果成立，那么`iinc 1, 1`，局部变量表的1号位置，自增1，接着`goto 2`，继续跳回2号位置。

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> 参考：[黑马程序员JVM完整教程，Java虚拟机快速入门，全程干货不拖沓)][JVM_Java]

[JavaSE_String_StringTable_-CSDN]: https://blog.csdn.net/weixin_51146329/article/details/128748851
[image-20230306223426646]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/1f6f4ad9ad4f4a1a84eeab497a7f5f99.png
[image-20230306224057252]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/7e6bcdfffb2a43d98b709e6eb8792be2.png
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[image-20230307104059705]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/4943c1a5ff984896b18877d04748b857.png
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[JVM_Java]: https://www.bilibili.com/video/BV1yE411Z7AP