原文链接：https://gaoyubo.cn/blogs/f57f32cf.html

前置

Golang实现JAVA虚拟机-解析class文件

Golang实现JAVA虚拟机-运行时数据区

一、字节码、class文件、指令集的关系

class文件（二进制）和字节码（十六进制）的关系

class文件

经过编译器编译后的文件（如javac），一个class文件代表一个类或者接口；
是由字节码组成的，主要存储的是字节码，字节码是访问jvm的重要指令
文件本身是2进制，对应的是16进制的数。

字节码

包括操作码（Opcode）和操作数：操作码是一个字节
如果方法不是抽象的，也不是本地方法，方法的Java代码就会被编译器编译成字节码，存放在method_info结构的Code属性中

如图：操作码为B2，助记符为助记符是getstatic。它的操作数是0x0002，代表常量池里的第二个常量。

操作数栈和局部变量表只存放数据的值，并不记录数据类型。结果就是：指令必须知道自己在操作什么类型的数据。

这一点也直接反映在了操作码的助记符上。

例如，iadd指令：对int值进行加法操作；

dstore指令：把操作数栈顶的double值弹出，存储到局部变量表中；

areturn：从方法中返回引用值。

助记符

如果某类指令可以操作不同类型的变量，则助记符的第一个字母表示变量类型。助记符首字母和变量类型的对应关系如下：

指令分类

Java虚拟机规范把已经定义的205条指令按用途分成了11类，分别是：

常量（constants）指令
加载（loads）指令
存储（stores）指令
操作数栈（stack）指令
数学（math）指令
转换（conversions）指令
比较（comparisons）指令
控制（control）指令
引用（references）指令
扩展（extended）指令
保留（reserved）指令：
- 操作码：202（0xCA），助记符：breakpoint，用于调试器的断点调试
- 254（0xFE），助记符：impdep1
- 266（0xFF），助记符：impdep2
- 这三条指令不允许出现在class文件中

本章将要实现的指令涉及11类中的9类

二、JVM执行引擎

执行引擎是Java虚拟机四大组成部分中一个核心组成（另外三个分别是类加载器子系统、运行时数据区、垃圾回收器），

Java虚拟机的执行引擎主要是用来执行Java字节码。

它有两种主要执行方式：通过字节码解释器执行，通过即时编译器执行

解释和编译

在了解字节码解释器和即使编译器之前，需要先了解解释和编译

解释是将代码逐行或逐条指令地转换为机器代码并立即执行的方式，适合实现跨平台性。
编译是将整个程序或代码块翻译成机器代码的方式，生成的机器代码可反复执行，通常更快，但不具备跨平台性。

字节码解释器

字节码解释器将逐条解释执行Java字节码指令。这意味着它会逐个读取字节码文件中的指令，并根据每个指令执行相应的操作。虽然解释执行相对较慢。

逐行解释和执行代码。它会逐行读取源代码或字节码，将每一行翻译成计算机指令，然后立即执行该指令。

因此具有平台无关性，因为字节码可以在不同的平台上运行。

即时编译器（Just-In-Time Compiler，JIT）

即时编译器将字节码编译成本地机器代码，然后执行本地代码。

这种方式更快，因为它避免了字节码解释的过程，但编译需要一些时间。

即时编译器通常会选择性地编译某些热点代码路径，以提高性能。

解释器规范

Java虚拟机规范的2.11节介绍了Java虚拟机解释器的大致逻辑，如下所示：

c 复制代码

do {
    atomically calculate pc and fetch opcode at pc;
    if (operands) fetch operands;
    execute the action for the opcode;
} while (there is more to do);

从当前程序计数器（Program Counter，通常简称为 PC）中获取当前要执行的字节码指令的地址。
从该地址获取字节码指令的操作码（opcode），并执行该操作码对应的操作。
如果指令需要操作数（operands），则获取操作数。
执行指令对应的操作。
更新 PC，以便继续执行下一条字节码指令。
循环执行上述步骤，直到没有更多的指令需要执行。

每次循环都包含三个部分：计算pc、指令解码、指令执行

可以把这个逻辑用Go语言写成一个for循环，里面是个大大的switch-case语句。但这样的话，代码的可读性将非常差。

所以采用另外一种方式：把指令抽象成接口，解码和执行逻辑写在具体的指令实现中。

这样编写出的解释器就和Java虚拟机规范里的伪代码一样简单，伪代码如下：

go 复制代码

for {
    pc := calculatePC()
    opcode := bytecode[pc]
    inst := createInst(opcode)
    inst.fetchOperands(bytecode)
    inst.execute()
}

三、指令和指令解码

本节先定义指令接口，然后定义一个结构体用来辅助指令解码

Instruction接口

为了便于管理，把每种指令的源文件都放在各自的包里，所有指令都共用的代码则放在base包里。

因此instructions目录下会有如下10个子目录：

base目录下创建instruction.go文件，在其中定义Instruction接口，代码如下：

go 复制代码

type Instruction interface {
    FetchOperands(reader *BytecodeReader)
    Execute(frame *rtda.Frame)
}

FetchOperands（）方法从字节码中提取操作数，Execute（）方法执行指令逻辑。

有很多指令的操作数都是类似的。为了避免重复代码，按照操作数类型定义一些结构体，并实现FetchOperands（）方法。

无操作数指令

在instruction.go文件中定义NoOperandsInstruction结构体，代码如下:

go 复制代码

type NoOperandsInstruction struct {}

NoOperandsInstruction表示没有操作数的指令，所以没有定义任何字段。FetchOperands（）方法自然也是空空如也，什么也不用读，代码如下:

go 复制代码

func (self *NoOperandsInstruction) FetchOperands(reader *BytecodeReader) {
	// nothing to do
}

跳转指令

定义BranchInstruction结构体，代码如下：

go 复制代码

type BranchInstruction struct {
    //偏移量
	Offset int
}

BranchInstruction表示跳转指令，Offset字段存放跳转偏移量。

FetchOperands（）方法从字节码中读取一个uint16整数，转成int后赋给Offset字段。代码如下：

go 复制代码

func (self *BranchInstruction) FetchOperands(reader *BytecodeReader) {
	self.Offset = int(reader.ReadInt16())
}

存储和加载指令

存储和加载类指令需要根据索引存取局部变量表，索引由单字节操作数给出。把这类指令抽象成Index8Instruction结构体，定义Index8Instruction结构体，代码如下:

go 复制代码

type Index8Instruction struct {
    //索引
    Index uint
}

FetchOperands（）方法从字节码中读取一个int8整数，转成uint后赋给Index字段。代码如下：

go 复制代码

func (self *Index8Instruction) FetchOperands(reader *BytecodeReader) {
	self.Index = uint(reader.ReadUint8())
}

访问常量池的指令

有一些指令需要访问运行时常量池，常量池索引由两字节操作数给出，用Index字段表示常量池索引。定义Index16Instruction结构体，代码如下：

go 复制代码

type Index16Instruction struct {
	Index uint
}

FetchOperands（）方法从字节码中读取一个 uint16整数，转成uint后赋给Index字段。代码如下

go 复制代码

func (self *Index16Instruction) FetchOperands(reader *BytecodeReader) {
    self.Index = uint(reader.ReadUint16())
}

指令接口和"抽象"指令定义好了，下面来看BytecodeReader结构体

BytecodeReader结构体

base目录下创建bytecode_reader.go文件，在其中定义BytecodeReader结构体

go 复制代码

type BytecodeReader struct {
    code []byte // bytecodes
    pc   int
}

code字段存放字节码，pc字段记录读取到了哪个字节。

为了避免每次解码指令都新创建一个BytecodeReader实例，给它定义一个 Reset（）方法，代码如下:

go 复制代码

func (self *BytecodeReader) Reset(code []byte, pc int) {
    self.code = code
    self.pc = pc
}

面实现一系列的Read（）方法。首先是最简单的ReadUint8（）方法，代码如下：

func (self *BytecodeReader) ReadUint8() uint8 {
    i := self.code[self.pc]
    self.pc++
    return i
}

从 self.code 字节切片中的 self.pc 位置读取一个字节（8 位）的整数值。
然后将 self.pc 的值增加1，以便下次读取下一个字节。
最后，返回读取的字节作为无符号 8 位整数

ReadInt8（）方法调用ReadUint8（），然后把读取到的值转成int8 返回，代码如下：

go 复制代码

func (self *BytecodeReader) ReadInt8() int8 {
	return int8(self.ReadUint8())
}

ReadUint16（）连续读取两字节

go 复制代码

func (self *BytecodeReader) ReadUint16() uint16 {
    byte1 := uint16(self.ReadUint8())
    byte2 := uint16(self.ReadUint8())
    return (byte1 << 8) | byte2
}

ReadInt16（）方法调用ReadUint16（），然后把读取到的值转成 int16返回，代码如下：

go 复制代码

func (self *BytecodeReader) ReadInt16() int16 {
	return int16(self.ReadUint16())
}

ReadInt32（）方法连续读取4字节，代码如下：

go 复制代码

func (self *BytecodeReader) ReadInt32() int32 {
    byte1 := int32(self.ReadUint8())
    byte2 := int32(self.ReadUint8())
    byte3 := int32(self.ReadUint8())
    byte4 := int32(self.ReadUint8())
    return (byte1 << 24) | (byte2 << 16) | (byte3 << 8) | byte4
}

在接下来的小节中，将按照分类依次实现约150条指令，占整个指令集的3/4

四、常量指令

常量指令把常量推入操作数栈顶。

常量可以来自三个地方：隐含在操作码里、操作数和运行时常量池。

常量指令共有21条，本节实现其中的18条。另外3条是ldc系列指令，用于从运行时常量池中加载常量，将在后续实现。

nop指令

nop指令是最简单的一条指令，因为它什么也不做。

在\instructions\constants目录下创建nop.go文件，在其中实现nop指令，代码如下：

go 复制代码

type NOP struct{ base.NoOperandsInstruction }

func (self *NOP) Execute(frame *rtda.Frame) {
// 什么也不用做
}

const系列指令

这一系列指令把隐含在操作码中的常量值推入操作数栈顶。

constants目录下创建const.go文件，在其中定义15条指令，代码如下

go 复制代码

type ACONST_NULL struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DCONST_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DCONST_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type FCONST_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type FCONST_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type FCONST_2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_M1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_3 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_4 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_5 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LCONST_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LCONST_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }

以3条指令为例进行说明。aconst_null指令把null引用推入操作数栈顶，代码如下

go 复制代码

func (self *ACONST_NULL) Execute(frame *rtda.Frame) {
	frame.OperandStack().PushRef(nil)
}

dconst_0指令把double型0推入操作数栈顶，代码如下

go 复制代码

func (self *DCONST_0) Execute(frame *rtda.Frame) {
	frame.OperandStack().PushDouble(0.0)
}

iconst_m1指令把int型-1推入操作数栈顶，代码如下：

go 复制代码

func (self *ICONST_M1) Execute(frame *rtda.Frame) {
	frame.OperandStack().PushInt(-1)
}

bipush和sipush指令

bipush指令从操作数中获取一个byte型整数，扩展成int型，然后推入栈顶。
sipush指令从操作数中获取一个short型整数，扩展成int型，然后推入栈顶。

constants目录下创建 ipush.go文件，在其中定义bipush和sipush指令，代码如下：

go 复制代码

type BIPUSH struct { val int8 } // Push byte
type SIPUSH struct { val int16 } // Push short

BIPUSH结构体实现方法如下：

go 复制代码

type BIPUSH struct {
    val int8
}

func (self *BIPUSH) FetchOperands(reader *base.BytecodeReader) {
    self.val = reader.ReadInt8()
}
func (self *BIPUSH) Execute(frame *rtda.Frame) {
    i := int32(self.val)
    frame.OperandStack().PushInt(i)
}

五、加载指令

加载指令用于从局部变量表获取变量，并将其推入操作数栈顶。总共有 33 条加载指令，它们按照所操作的变量类型可以分为 6 类：

aload 系列指令：用于操作引用类型变量。

dload 系列指令：用于操作 double 类型变量。

fload 系列指令：用于操作 float 变量。

iload 系列指令：用于操作 int 变量。

lload 系列指令：用于操作 long 变量。

xaload 指令：用于操作数组。

本节将实现其中的 25 条加载指令。数组和xaload系列指令先不实现。

loads目录下创建iload.go文件，在其中定义5 条指令，代码如下：完整代码移步：jvmgo

go 复制代码

// 从局部变量表加载int类型
type ILOAD struct{ base.Index8Instruction }
type ILOAD_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ILOAD_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ILOAD_2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ILOAD_3 struct{ base.NoOperandsInstruction }

为了避免重复代码，定义一个函数供iload系列指令使用，代码如下：

go 复制代码

func _iload(frame *rtda.Frame, index uint) {
    val := frame.LocalVars().GetInt(index)
    frame.OperandStack().PushInt(val)
}

iload指令的索引来自操作数，其Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *ILOAD) Execute(frame *rtda.Frame) {
	_iload(frame, uint(self.Index))
}

其余4条指令的索引隐含在操作码中，以iload_1为例，其 Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *ILOAD_1) Execute(frame *rtda.Frame) {
	_iload(frame, 1)
}

六、存储指令

和加载指令刚好相反，存储指令把变量从操作数栈顶弹出，然后存入局部变量表。

和加载指令一样，存储指令也可以分为6类。以 lstore系列指令为例进行介绍。完整代码移步：jvmgo

instructions\stores目录下创建 lstore.go文件，在其中定义5条指令，代码如下:

go 复制代码

type LSTORE struct{ base.Index8Instruction }
type LSTORE_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LSTORE_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LSTORE_2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LSTORE_3 struct{ base.NoOperandsInstruction }

同样定义一个函数供5条指令使用，代码如下：

go 复制代码

func _lstore(frame *rtda.Frame, index uint) {
    val := frame.OperandStack().PopLong()
    frame.LocalVars().SetLong(index, val)
}

lstore指令的索引来自操作数，其Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *LSTORE) Execute(frame *rtda.Frame) {
	_lstore(frame, uint(self.Index))
}

其余4条指令的索引隐含在操作码中，以lstore_2为例，其 Execute（）方法如下

go 复制代码

func (self *LSTORE_2) Execute(frame *rtda.Frame) {
	_lstore(frame, 2)
}

七、栈指令

栈指令直接对操作数栈进行操作，共9条：

pop和pop2指令将栈顶变量弹出

dup系列指令复制栈顶变量

swap指令交换栈顶的两个变量

和其他类型的指令不同，栈指令并不关心变量类型。为了实现栈指令，需要给OperandStack结构体添加两个方法。操作数栈实现

rtda\operand_stack.go文件中，在其中定义PushSlot（）和PopSlot（） 方法，代码如下：

go 复制代码

func (self *OperandStack) PushSlot(slot Slot) {
    self.slots[self.size] = slot
    self.size++
}
func (self *OperandStack) PopSlot() Slot {
    self.size--
    return self.slots[self.size]
}

pop和pop2指令

stack目录下创建pop.go文件，在其中定义 pop和pop2指令，代码如下:

go 复制代码

type POP struct{ base.NoOperandsInstruction }
type POP2 struct{ base.NoOperandsInstruction }

pop指令把栈顶变量弹出，代码如下：

go 复制代码

func (self *POP) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    stack.PopSlot()
}

pop指令只能用于弹出int、float等占用一个操作数栈位置的变量。

double和long变量在操作数栈中占据两个位置，需要使用pop2指令弹出，代码如下：

go 复制代码

func (self *POP2) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    stack.PopSlot()
    stack.PopSlot()
}

dup指令

创建dup.go文件，在其中定义6 条指令，代码如下：完整代码移步：jvmgo

go 复制代码

type DUP struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DUP_X1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DUP_X2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DUP2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DUP2_X1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DUP2_X2 struct{ base.NoOperandsInstruction }

dup指令复制栈顶的单个变量，代码如下：

go 复制代码

func (self *DUP) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    slot := stack.PopSlot()
    stack.PushSlot(slot)
    stack.PushSlot(slot)
}

DUP_X1 ：复制栈顶操作数一份放在第二个操作数的下方。Execute代码如下：

go 复制代码

/*
bottom -> top
[...][c][b][a]
          __/
         |
         V
[...][c][a][b][a]
*/
func (self *DUP_X1) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    slot1 := stack.PopSlot()
    slot2 := stack.PopSlot()
    stack.PushSlot(slot1)
    stack.PushSlot(slot2)
    stack.PushSlot(slot1)
}

DUP_X2 ：复制栈顶操作数栈的一个或两个值，并将它们插入到操作数栈中的第三个值的下面。

go 复制代码

/*
bottom -> top
[...][c][b][a]
       _____/
      |
      V
[...][a][c][b][a]
*/
func (self *DUP_X2) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    slot1 := stack.PopSlot()
    slot2 := stack.PopSlot()
    slot3 := stack.PopSlot()
    stack.PushSlot(slot1)
    stack.PushSlot(slot3)
    stack.PushSlot(slot2)
    stack.PushSlot(slot1)
}

swap指令

swap指令作用是交换栈顶的两个操作数

下创建swap.go文件，在其中定义swap指令，代码如下:

go 复制代码

type SWAP struct{ base.NoOperandsInstruction }

Execute（）方法如下

func (self *SWAP) Execute(frame *rtda.Frame) {
stack := frame.OperandStack()
slot1 := stack.PopSlot()
slot2 := stack.PopSlot()
stack.PushSlot(slot1)
stack.PushSlot(slot2)
}

八、数学指令

数学指令大致对应Java语言中的加、减、乘、除等数学运算符。

数学指令包括算术指令、位移指令和布尔运算指令等，共37条，将全部在本节实现。

算术指令

算术指令又可以进一步分为:

加法（add）指令
减法（sub）指令
乘法（mul）指令
除法（div）指令
求余（rem）指令
取反（neg）指令

加、减、乘、除和取反指令都比较简单，本节以复杂的求余指令介绍。

math目录下创建rem.go文件，在其中定义4条求余指令，代码如下:

go 复制代码

type DREM struct{ base.NoOperandsInstruction }
type FREM struct{ base.NoOperandsInstruction }
type IREM struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LREM struct{ base.NoOperandsInstruction }

DREM 结构体：表示对双精度浮点数 (double) 执行取余操作。
FREM 结构体：表示对单精度浮点数 (float) 执行取余操作
IREM 结构体：表示对整数 (int) 执行取余操作。
LREM 结构体：表示对长整数 (long) 执行取余操作。

irem和lrem代码差不多，以irem为例，其Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *IREM) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopInt()
    v1 := stack.PopInt()
    if v2 == 0 {
    	panic("java.lang.ArithmeticException: / by zero")
    }
    result := v1 % v2
    stack.PushInt(result)
}

先从操作数栈中弹出两个int变量，求余，然后把结果推入操作数栈。

注意！对int或long变量做除法和求余运算时，是有可能抛出ArithmeticException异常的。

frem和drem指令差不多，以 drem为例，其Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *DREM) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopDouble()
    v1 := stack.PopDouble()
    result := math.Mod(v1, v2)
    stack.PushDouble(result)
}

Go语言没有给浮点数类型定义求余操作符，所以需要使用 math包的Mod（）函数。

浮点数类型因为有Infinity（无穷大）值，所以即使是除零，也不会导致ArithmeticException异常抛出

位移指令

分为左移和右移

左移
右移
- 算术右移（有符号右移）
- 逻辑右移（无符号右移）两种。

算术右移和逻辑位移的区别仅在于符号位的扩展，如下面的Java代码所示。

java 复制代码

int x = -1;
println(Integer.toBinaryString(x)); // 11111111111111111111111111111111
println(Integer.toBinaryString(x >> 8)); // 11111111111111111111111111111111
println(Integer.toBinaryString(x >>> 8)); // 00000000111111111111111111111111

math目录下创建sh.go文件，在其中定义6条位移指令，代码如下

go 复制代码

type ISHL struct{ base.NoOperandsInstruction } // int左位移
type ISHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // int算术右位移
type IUSHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // int逻辑右位移(无符号右移位)
type LSHL struct{ base.NoOperandsInstruction } // long左位移
type LSHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // long算术右位移
type LUSHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // long逻辑右移位（无符号右移位）

左移

左移指令比较简单，以ishl指令为例，其Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *ISHL) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopInt()
    v1 := stack.PopInt()
    s := uint32(v2) & 0x1f
    result := v1 << s
    stack.PushInt(result)
}

先从操作数栈中弹出两个int变量v2和v1。v1是要进行位移操作的变量，v2指出要移位多少比特。位移之后，把结果推入操作数栈。

s := uint32(v2) & 0x1f：这行代码将被左移的位数 v2 强制转换为 uint32 类型，然后执行按位与操作（&）与常数 0x1f。

这是为了确保左移的位数在范围 0 到 31 内，因为在 Java 中，左移操作最多只能左移 31 位，超出这个范围的位数将被忽略。
这里注意两点：

int变量只有32位，所以只取v2的前5个比特就足够表示位移位数了

Go语言位移操作符右侧必须是无符号整数，所以需要对v2进行类型转换

右移

算数右移

算术右移指令需要扩展符号位，代码和左移指令基本上差不多。以lshr指令为例，其Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *LSHR) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopInt()
    //long变量有64位，所以取v2的前6个比特。
    v1 := stack.PopLong()
    s := uint32(v2) & 0x3f
    result := v1 >> s
    stack.PushLong(result)
}

s := uint32(v2) & 0x1f：

提取 v2 变量的最低的 6 位，将其他位设置为 0，并将结果存储在 s 变量中。这是为了限制右移的位数在 0 到 63 之间，因为在 Java 中，long类型右移操作最多只能右移 63 位

逻辑右移

无符号右移位，以iushr为例，在移位前，先将v2转化为正数，再进行移位，最后转化为int32类型，如下代码所示：

go 复制代码

func (self *IUSHR) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopInt()
    v1 := stack.PopInt()
    s := uint32(v2) & 0x1f
    result := int32(uint32(v1) >> s)
    stack.PushInt(result)
}

布尔运算指令

布尔运算指令只能操作int和long变量，分为：

按位与（and）
按位或（or）
按位异或（xor）

math目录下创建and.go文件，在其中定义iand和 land指令，代码如下：

go 复制代码

type IAND struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LAND struct{ base.NoOperandsInstruction }

以iand指令为例，其Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *IAND) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopInt()
    v1 := stack.PopInt()
    result := v1 & v2
    stack.PushInt(result)
}

iinc指令

iinc指令给局部变量表中的int变量增加常量值，局部变量表索引和常量值都由指令的操作数提供。

math目录下创建iinc.go文件，在其中定义iinc指令，代码如下：

go 复制代码

type IINC struct {
    //索引
	Index uint
    //常量值
	Const int32
}

index：一个字节，表示局部变量表中要增加值的变量的索引。这个索引指定了要修改的局部变量。

const：一个有符号字节，表示要增加的常数值。这个常数值将与局部变量的当前值相加，并将结果存储回同一个局部变量。

FetchOperands（）函数从字节码里读取操作数，代码如下：

go 复制代码

func (self *IINC) FetchOperands(reader *base.BytecodeReader) {
    self.Index = uint(reader.ReadUint8())
    self.Const = int32(reader.ReadInt8())
}

Execute（）方法从局部变量表中读取变量，给它加上常量值，再把结果写回局部变量表，代码如下

go 复制代码

func (self *IINC) Execute(frame *rtda.Frame) {
    localVars := frame.LocalVars()
    val := localVars.GetInt(self.Index)
    val += self.Const
    localVars.SetInt(self.Index, val)
}

九、类型转换指令

类型转换指令大致对应Java语言中的基本类型强制转换操作。类型转换指令有共15条，将全部在本节实现。

引用类型转换对应的是checkcast指令，将在后续完成。

类型转换指令根据被转换变量的类型分为四种系列：

i2x 系列指令：这些指令将整数（int）变量强制转换为其他类型。

l2x 系列指令：这些指令将长整数（long）变量强制转换为其他类型。

f2x 系列指令：这些指令将浮点数（float）变量强制转换为其他类型。

d2x 系列指令：这些指令将双精度浮点数（double）变量强制转换为其他类型。

这些类型转换指令允许将不同类型的数据进行强制类型转换，以满足特定的计算或操作需求。

以d2x系列指令为例进行讨论。

conversions目录下创建d2x.go文件，在其中定义d2f、d2i和d2l指令，代码如下

go 复制代码

type D2F struct{ base.NoOperandsInstruction }
type D2I struct{ base.NoOperandsInstruction }
type D2L struct{ base.NoOperandsInstruction }

以d2i指令为例，它的Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *D2I) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    d := stack.PopDouble()
    i := int32(d)
    stack.PushInt(i)
}

因为Go语言可以很方便地转换各种基本类型的变量，所以类型转换指令实现起来还是比较容易的。

十、比较指令

比较指令可以分为两类：

将比较结果推入操作数栈顶
根据比较结果跳转

比较指令是编译器实现if-else、for、while等语句的基石，共有19条

lcmp指令

lcmp指令用于比较long变量。

comparisons目录下创建lcmp.go文件，在其中定义lcmp指令，代码如下：

go 复制代码

type LCMP struct{ base.NoOperandsInstruction }

Execute（）方法把栈顶的两个long变量弹出，进行比较，然后把比较结果（int型0、1或-1）推入栈顶，代码如下：

go 复制代码

func (self *LCMP) Execute(frame *rtda.Frame) {
	stack := frame.OperandStack()
	v2 := stack.PopLong()
	v1 := stack.PopLong()
	if v1 > v2 {
		stack.PushInt(1)
	} else if v1 == v2 {
		stack.PushInt(0)
	} else {
		stack.PushInt(-1)
	}
}

fcmp和dcmp指令

fcmpg和fcmpl指令用于比较float变量，它们的区别是对于非数字参与，fcmpg会默认为其大于任何非NaN值，fcmpl则相反。

comparisons目录下创建fcmp.go文件，在其中定义 fcmpg和fcmpl指令，代码如下：

go 复制代码

type FCMPG struct{ base.NoOperandsInstruction }
type FCMPL struct{ base.NoOperandsInstruction }

由于浮点数计算有可能产生NaN（Not a Number）值，所以比较两个浮点数时，除了大于、等于、小于之外，

还有第4种结果：无法比较。

编写一个函数来统一比较float变量,如下：

go 复制代码

func _fcmp(frame *rtda.Frame, gFlag bool) {
	stack := frame.OperandStack()
	v2 := stack.PopFloat()
	v1 := stack.PopFloat()
	if v1 > v2 {
		stack.PushInt(1)
	} else if v1 == v2 {
		stack.PushInt(0)
	} else if v1 < v2 {
		stack.PushInt(-1)
	} else if gFlag {
		stack.PushInt(1)
	} else {
		stack.PushInt(-1)
	}
}

Java虚拟机规范：浮点数比较指令 fcmpl 和 fcmpg 的规范要求首先弹出 v2，然后是 v1，以便进行浮点数比较。

Execute()如下：

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func (self *FCMPG) Execute(frame *rtda.Frame) {
    _fcmp(frame, true)
}
func (self *FCMPL) Execute(frame *rtda.Frame) {
    _fcmp(frame, false)
}

if<cond>指令

if<cond> 指令是 Java 字节码中的条件分支指令，它根据条件 <cond> 来执行不同的分支。

条件 <cond> 可以是各种比较操作，比如等于、不等于、大于、小于等等。

常见的 if<cond> 指令包括：

ifeq: 如果栈顶的值等于0，则跳转。

ifne: 如果栈顶的值不等于0，则跳转。

iflt: 如果栈顶的值小于0，则跳转。

ifge: 如果栈顶的值大于或等于0，则跳转。

ifgt: 如果栈顶的值大于0，则跳转。

ifle: 如果栈顶的值小于或等于0，则跳转。

创建ifcond.go文件，在其中定义6条if指令，代码如下：

go 复制代码

type IFEQ struct{ base.BranchInstruction }
type IFNE struct{ base.BranchInstruction }
type IFLT struct{ base.BranchInstruction }
type IFLE struct{ base.BranchInstruction }
type IFGT struct{ base.BranchInstruction }
type IFGE struct{ base.BranchInstruction }

以ifeq指令为例，其Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *IFEQ) Execute(frame *rtda.Frame) {
    val := frame.OperandStack().PopInt()
    if val == 0 {
    	base.Branch(frame, self.Offset)
	}
}

真正的跳转逻辑在Branch（）函数中。因为这个函数在很多指令中都会用到，所以定义在base\branch_logic.go 文件中，代码如下：

go 复制代码

func Branch(frame *rtda.Frame, offset int) {
	pc := frame.Thread().PC()
	nextPC := pc + offset
	frame.SetNextPC(nextPC)
}

if_icmp<cond>指令

if_icmp<cond> 指令是 Java 字节码中的一类条件分支指令，它用于对比两个整数值，根据比较的结果来执行条件分支。这些指令的操作数栈上通常有两个整数值，它们分别用于比较。

这类指令包括：

if_icmpeq: 如果两个整数相等，则跳转。

if_icmpne: 如果两个整数不相等，则跳转。

if_icmplt: 如果第一个整数小于第二个整数，则跳转。

if_icmpge: 如果第一个整数大于等于第二个整数，则跳转。

if_icmpgt: 如果第一个整数大于第二个整数，则跳转。

if_icmple: 如果第一个整数小于等于第二个整数，则跳转。

创建if_icmp.go文件，在其中定义6条if_icmp指令，代码如下：

go 复制代码

type IF_ICMPEQ struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ICMPNE struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ICMPLT struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ICMPLE struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ICMPGT struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ICMPGE struct{ base.BranchInstruction }

以if_icmpne指令为例，其Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *IF_ICMPNE) Execute(frame *rtda.Frame) {
    if val1, val2 := _icmpPop(frame); val1 != val2 {
       base.Branch(frame, self.Offset)
    }
}
func _icmpPop(frame *rtda.Frame) (val1, val2 int32) {
	stack := frame.OperandStack()
	val2 = stack.PopInt()
	val1 = stack.PopInt()
	return
}

if_acmp<cond>指令

if_acmp<cond> 指令是 Java 字节码中的一类条件分支指令，用于比较两个引用类型的对象引用，根据比较的结果来执行条件分支。这些指令的操作数栈上通常有两个对象引用，它们分别用于比较。

这类指令包括：

if_acmpeq: 如果两个引用相等，则跳转。

if_acmpne: 如果两个引用不相等，则跳转。

创建if_acmp.go文件，在其中定义两条if_acmp指令，代码如下：

go 复制代码

type IF_ACMPEQ struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ACMPNE struct{ base.BranchInstruction }

以if_acmpeq指令为例，其Execute（）方法如下：

go 复制代码

func (self *IF_ACMPEQ) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    ref2 := stack.PopRef()
    ref1 := stack.PopRef()
    if ref1 == ref2 {
    	base.Branch(frame, self.Offset)
    }
}

十一、控制指令

控制指令共有 11 条。
在 Java 6 之前，jsr 和 ret 指令用于实现 finally 子句。从 Java 6 开始，Oracle 的 Java 编译器不再使用这两条指令。
return 系列指令有 6 条，用于从方法调用中返回，将在后续实现。
本节将实现剩下的 3 条指令：goto、tableswitch 和 lookupswitch。

这些指令用于控制程序执行流，包括条件分支和无条件跳转等操作。其中，goto 用于无条件跳转到指定的目标位置，而 tableswitch 和 lookupswitch 用于根据条件跳转到不同的目标位置。

control目录下创建goto.go文件，在其中定义 goto指令，代码如下：

Golang实现JAVA虚拟机-指令集和解释器

前置

一、字节码、class文件、指令集的关系

class文件（二进制）和字节码（十六进制）的关系

助记符

指令分类

二、JVM执行引擎

解释和编译

字节码解释器

即时编译器（Just-In-Time Compiler，JIT）

解释器规范

三、指令和指令解码

Instruction接口

无操作数指令

跳转指令

存储和加载指令

访问常量池的指令

BytecodeReader结构体

四、常量指令

nop指令

const系列指令

bipush和sipush指令

五、加载指令

六、存储指令

七、栈指令

pop和pop2指令

dup指令

swap指令

八、数学指令

算术指令

位移指令

左移

右移

算数右移

逻辑右移

布尔运算指令

iinc指令

九、类型转换指令

十、比较指令

lcmp指令

fcmp和dcmp指令

if<cond>指令

if_icmp<cond>指令

if_acmp<cond>指令

十一、控制指令