JVM学习-字节码指令集(一)

概述

Java字节码对于虚拟机，好像汇编语言对于计算机，属于基本执行指令
Java虚拟机的指令由一个字节长度 的，代表某种特定操作含义的数字(称为操作码Opcode )以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数(操作数，Operands)而构成，由于Java虚拟机采用面向操作数栈而不是寄存器的结构，大多数指令都不包含操作数，只有一个操作码
由于限制了Java虚拟机操作码的长度为一个字节(0-255)，意味着指令集的操作码总数不可能超过256条
熟悉虚拟机的指令对于动态字节码生成、反编译Class文件、Class文件修补都有着非常重要的价值。

执行模型

如不考虑异常处理的话，那么Java虚拟机的解释器可以使用下面这个伪代码当做最基本的执行模型

java 复制代码

do {
  自动计算PC寄存器的值加1;
  根据PC寄存器的指示位置，从字节码流中取出操作码;
  if(字节码存在操作数) 从字节码流中取出操作数;
  执行操作码所定义的操作;
} while(字节码长度>0);

字节码与数据类型

在Java指令集中，大多数的指令都包含了其操作所对应的数据类型停止，如iload指令用于从局部变量表中加载int型的数据到操作数栈，而fload指令加载的则是float类型的数据
对于大部分与数据类型相关的字节码指令，它们的操作码助记符中都有特殊的字符来表明专门为哪种数据类型服务

i代表int类型
l代表long
s代表short
b代表byte
c代表char
f代表float
d代表double

也有一些指令的助记符中没有明确地指明操作类型的字母，如arraylength指令，它没有代表数据类型的特殊字符，但操作数永远只能是一个数据类型的对象
无条件跳转指令goto则是与数据类型无关的
大部分的指令都没有支持整数类型byte,char和short,甚至没有任何指令支持boolean类型，编译器会在编译期或运行期将byte和short类型的数据带符号扩展为相应的int类型数据，将boolean和char类型数据零位扩展为相应的int类型数据，与之类似，在处理byte,char,boolean和short类型的数组时，也会转换为使用对应int类型的字节码指令来处理，

指令分类

字节码指令集按用途分为9类

加载与存储指令
算术指令
类型转换指令
对象创建与返回指令
方法调用与返回指令
操作数栈管理指令
比较控制指令
异常处理指令
同步控制指令

在做值相关操作时

一个指令，可以从局部变量表、常量池、堆中对象、方法调用、系统调用中等取得数据，这些数据被压入操作数栈
一个指令，也可以从操作数栈中取出一到多个值(pop多次)，完成赋值，加减乘除、方法传参、系统调用等等操作

加载与存储指令

作用：加载和存储指令用于将数据从栈帧的局部变量表和操作数栈之间来回传递
常用指令

再谈操作数栈与局部变量表
局部变量压栈指令：将一个局部变量加载到操作数栈：xload、xload(x为i,l,f,d,a,n为0-3);xaload,xaload_(其中x为 i,l,f,d,a,b,c,s,n为0-3)
常量入栈指令：将一个常量加载到操作数栈：bipush,sipush,ldc,ldc_w,ldc2_w,aconst_null,iconst_m1,iconst_,lconst_,fconst_,dconst_
出栈装入局部变量表指令：将一个数值从操作数栈存储到局部变量表：xstore,xstore_(其中x为i,l,f,d,a,n为0-3);xastore(其中x为 i,l,f,d,a,b,c,s)
扩展局部变量表的访问索引的指令：wide

上面的指令助记符中，有一部分是以尖括号结尾的(iload_),这些助记符实际代表了一组指令(iload_代表iload_0,iload_1,iload_2,iload_3这几个指令)，这几组指令都是带有一个操作数的通用指令的特殊形式，对于这若干组特殊指令来说，它们表面上没有操作数，不需要进行取操作数的动作，但操作数隐含在指令中
除此之外，它们的语义与原生的通用指令完全一致(如iload_0的语义与操作数为0时的iload指令语义完全一致)，在尖括号之间的字母指定了指令隐含操作数的数据类型，代表非负整数，代表是int类型数据，代表long类型，代表float,代表double类型

再谈操作数栈

Java字节码是Java虚拟机所使用的指令集，它与Java虚拟机基于栈的计算模型是密不可分的，在解释执行过程中，每当Java方法分配栈桢时，Java虚拟机往往需要开辟一块额外的空间作为操作数栈，来存放计算的操作数及返回结果
具体来说，执行每一条指令之前，Java虚拟机要求该指令的操作数已经被压入操作数栈中，在执行指令时，Java虚拟机会将该指令所需的操作数弹出，并且将指令的结果重新压入栈中
以加法指令iadd为例，假设在执行该指令前，栈顶的两个元素分别为int值1和int值2，那么iadd指令将弹出两个int,并将求得的和int值3压入栈中
由于iadd指令只消耗栈顶的两个元素，因此，对于离栈顶距离为2的元素，即图中问号，iadd指令并不关心它是否存在，更加不会对其进行修改

局部变量表(Local Variables)

Java方法栈帧的另一个重要组成部分是局部变量区，字节码程序可以将计算的结果缓存在局部变量区中
Java虚拟机将局部变量区当成一个数组，依次存放this指针(仅非静态方法)，所传入的参数，以及字节码中的局部变量
和操作数栈一样，long类型及double类型的值占用两个单元，其余类型占据一个单元

java 复制代码

public void foo(long l,float f) {
  {
    int i = 0;
  }
  {
    String s = "Hello,World";
  }
}

在栈帧中，与性能调优关系最为密切 的部分就是局部变量表，局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收
在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法传递

局部变量压栈指令

常量入栈指令

常量入栈指令将常数压入操作数栈，根据数据类型和入栈内容的不同，分为const系统，push系列和ldc指令

指令const系列：用于特定的常量入栈，入栈的常量隐含在指令本身里，指令有：iconst_(i从-1到5)、lconst_(l从0到1)、fconst_(f从0到2)、dconst_(d从0到1)、aconst_null
指令push系列：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位参数，它们都将参数压入栈
指令ldc系列：如果以上指令不能满足需求，那么可以使用万能的ldc指令，它可以接收一个8位的参数，该参数指向常量池中的int、float或String的索引，将指定的内容入堆栈
ldc_w，接收两个8位参数，能支持的索引范围大于ldc
如果压入的元素是long或者double类型的，则使用ldc2_w指令 ，使用方式类似

出栈装入局部变量表

出栈装入局部变量表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0-3)

其中，指令istore_n将从操作数栈中弹出一个整数，并把它赋值给局部变量索引n位置
指令xstore由于没有隐含参数信息，故需提供一个byte类型的参数类指定目标局部变量表的位置
注：

类似像store这样的命令需要带一个参数，用来指明将弹出的元素放在局部变量表的第几个位置，但是，为了尽可能压缩指令大小，专门的istore_1指令表示将弹出的元素放置在局部变量表第1个位置，类似的还有istore_0,istore_1,istore_3，它们分别表示从操作数栈顶弹出一个元素，放在局部变量表第0，2，3个位置
由于局部变量表前几个位置总是非常常用，因此这种做法虽然增加了指令数量，但是可以大大压缩生成的字节码的体积 ，如果局部变量表很大，需要存储的槽位大于3，那么使用istore指令，外加一个参数，用来表示需要存储的槽位位置。

算术指令

作用：算术指令用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算，并把结果重新压入操作数栈
分类：

对整型数据进行运算的指令
对浮点类型数据进行运算的指令

byte,short,char,boolean类型说明
运算时的溢出

数据运算可能会导致溢出，例如两个很大的正整数相加，结果可能是一个负数，Java虚拟机规范并无明确规定整数数据溢出的具体结果，仅规定了在处理整型数据时，只有除法指令以及求余指令中当出现除数为0时会导致虚拟机抛出异常ArithmeticException.

运算模式

向最接近数舍入模式：JVM要求在进行浮点数计算时，所有的运算结果都必须舍入到适当的精度，非精确结果必须舍入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
向零舍入模式：将浮点数转换为整数时，采用该模式，该模式将在目标数值类型中选择一个最接近但是不大于原值的数字作为最精确的舍入结果

NaN值使用

当一个操作产生溢出时，将会使用有符号的无穷大表示，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，而且所有使用NaN值作为操作数的算术操作，结果将返回NaN

java 复制代码

public void method1() {
        int x = 10;
        int y = x / 0;
        System.out.println(y);   //java.lang.ArithmeticException: / by zero
        int i = 10;
        double j = i / 0.0;
        System.out.println(j);   //Infinity

        double d1 = 0.0;
        double d2 = d1 / 0.0;
        System.out.println(d2);  //NaN
    }

算术指令

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 //remainder：余数
取反指令：ineg,lneg,fneg,dneg //negation：取反
自增指令：iinc
位运算指令

位移指令：ishl,ishr,iushr,lshl,lshr,lushr
按位与指令：iand land
按位异或指令：ixor、lxor

比较指令：dcmpg,dcmpl,fcmpg,fcmpl,lcmp

比较指令

比较指令的作用是比较栈顶两个元素的大小，并将比较结果入栈
比较指令有dcmpg,dcmpl,fcmpg,fcmpl,lcmp
对于double和float类型的数字，由于NaN的存在，各有两个版本的比较指令，以float为例，fcmpg和fcmpl两个指令，它们的区别在于在数字比较时，若遇到NaN值，处理结果不同
指令dcmpl和dcmpg也是类似的，根据其命名可以推测其含义
指令lcmp针对long型整数，由于long整数没有NaN值，无需准备两套指令
如：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<v2则压入-1,两个指令不同之处在于，如遇到NaN值,fcmpg会压入1而fcmpl会压入-1

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
这些转换用于实现用户代码中的显示类型转换操作 ，或用来处理字节码指令中数据类型相关指令 无法与数据类型一一对应的问题。

宽化类型转换(Widening Numeric Conversions)

转换规则

范围类型向大范围类型的安全转换，不需要指令执行

从int到long,float或double类型，对应指令：i2l,i2f,i2d
从long类型转换到folat或double类型，对应指令：l2f,l2d
从float类型到double类型，对应指令f2d
简化： int > long > float > double

精度损失问题

宽化类型转换不会因为超过目标类型最大值而丢失信息，如从int到long,从int到double,不会丢失信息，转换后是精确相等的
从int,long类型转float，或long转double时，将可能发生精度丢失--可能丢掉几个最低有效位上的值，转换后的浮点数值根据IEEE754最接近舍入模式所得到的正确整数值

java 复制代码

@Test
    public void upcast2() {
        int i = 1223123123;
        float f = i;
        System.out.println(f);

        long l = 123123123123L;
        double d = l;
        System.out.println(d);

        long l1 = 123123123123123123L;
        double d1 = l1;
        System.out.println(d1);
    }
//执行结果---会出现精度损失
1.22312307E9
1.23123123123E11
1.2312312312312312E17

尽管宽化类型转换实际上可能发生精度丢失，但这种转换永远不会导致Java虚拟机抛出运行时异常

补充说明

从byte,char和short转int类型的宽化类型转换实际是不存在的，对于byte转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long时，使用i2l,可以看到在内部byte等同于int类型处理，类似还有short

这样处理一方面减少实际的数据类型，减少指令，目前虚拟机使用一个字节表示指令，因此指令总数不超过256个，为了节省资源，将short和byte当做int处理
另一方面，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，这个角度来说，没有必要特意区分这几种数据类型

java 复制代码

//从下图中可以看出byte,short在执行类型转换时，转换为long使用i2l,转换为double使用i2d,转int时，什么都没做
public void upcast3(byte b) {
        int i = b;
        long l = b;
        double d = b;
    }
    public void upcast4(short s) {
        int i = s;
        long l = s;
        double d = s;
    }

java 复制代码

 public void upcast1() {
        int i = 10;
        long l = i;
        float f = i;
        double d = i;
        float f1 = l;
        double d1 = l;
        double d2 = f1;
    }
//字节码如下
 0 bipush 10        //将10push到操作数栈
 2 istore_1        //将10存储到局部变量表1的位置
 3 iload_1        //从局部变量表1的值push到操作数栈
 4 i2l        //将操作数栈顶元素执行long的强制类型转换
 5 lstore_2   //将操作数栈顶的元素出栈放入到局部变量表2的位置
 6 iload_1
 7 i2f
 8 fstore 4
10 iload_1
11 i2d
12 dstore 5
14 lload_2
15 l2f
16 fstore 7
18 lload_2
19 l2d
20 dstore 8
22 fload 7
24 f2d
25 dstore 10
27 return

窄化类型转换

转换规则

从int到byte,short或char类型，对应指令：i2b,i2s,i2c
从long类型转换到int类型，对应指令：l2i
从float类型到int或long类型，对应指令f2i,f2l
从double类型转换为int,long或float类型，对应指令d2i,d2l,d2f

java 复制代码

  public void downcast1() {
        int i = 10;
        byte b = (byte) i;
        short s = (short) i;
        char c = (char) i;

        long l = 10L;
        int i1 = (int) l;
        byte b1 = (byte) l;       //转byte需要经过两条指令l2i,i2b,见下图
    }
    public void downcast2() {
        float f = 10;
        long l = (long) f;
        int i = (int) f;
        byte b = (byte) f;    
        
        double d = 10;
        byte b1 = (byte) d;     
    }

精度损失问题

窄化类型转换可能会导致转换结果具备不同的正负号、不同的数量级，因此，转换过程可能会导致数值丢失精度
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类型的窄化转换指令永远不会导致虚拟机抛出运行时异常

补充说明

当将一个浮点值窄化转换为整数类型T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的0
如果浮点值不是无穷大的话，浮点值使用IEEE754的向零舍入模式取整，获得整数值v,如果v在目标类型T(int或long)表示的范围之内，那么转换结果就是V，否则，将根据V的符号，转换为T所能表示的最大或最小正数

当一个double类型窄化转换为float类型时，遵循以下转换规则

如果转换结果的绝对值太小而无法使用float来表示，将返回float类型的正负零
如果转换结果的绝对值砂大，无法使用float来表示，将返回float类型的正负无穷大
对于double类型的NaN值将按规定转换为float类型的NaN值

java 复制代码

 @Test
    public void downcast5() {
        double d1 = Double.NaN;
        int i = (int) d1;
        System.out.println(i);

        double d2 = Double.POSITIVE_INFINITY;
        long l = (long) d2;
        int j = (int) d2;
        System.out.println(l);
        System.out.println(Long.MAX_VALUE);
        System.out.println(j);
        System.out.println(Integer.MAX_VALUE);
        float f = (float) d2;
        System.out.println(f);
        float f1 = (float) d1;
        System.out.println(f1);
    }
//执行结果
0
9223372036854775807
9223372036854775807
2147483647
2147483647
Infinity
NaN