【15】Java字节码

Java方法栈帧的组成：操作数栈+局部变量表

操作数栈

Java字节码是Java虚拟机所使用的的指令集。它与JVM基于栈的计算模型是分不开的。
在解释执行过程中，每当为 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以及返回结果。
- 执行每条执行之前，JVM要求该指令的操作数已被压入操作数栈中
- 在执行指令时，JVM会将该指令所需要的操作数弹出，并将该指令的结果重新压入栈中

以iadd为例说明该执行过程

正常情况下，操作数栈的压入弹出都是一条条指令完成的
在抛出异常时，JVM会清空操作数栈上到所有内容，而后将异常实例的引用压入操作数栈

直接作用在操作数栈上的Java字节码指令

dup 复制栈顶元素

dup指令常用于复制new指令生成的未经初始化的引用

执行new指令时，JVM将指向一块已分配的但未初始化的内存引用压入操作数栈
invokespecial指令将要以这个引用为调用者，调用其构造器
该指令将消耗操作数栈上的元素，作为它的调用者和参数
这之前利用dup指令复制一份new指令的结果，并用来调用构造器

public void dup() {
Object o = new Object();
}

// 对应的字节码
public void dup();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=1
0: new // class java/lang/Object
3: dup
4: invokespecial // Method java/lang/Object."<init>":()V
7: astore_1
8: return

pop 舍弃栈顶元素

pop指令常用于舍弃调用指令的返回结果

  public static boolean bar() {
    return false;
  }

  public void foo() {
    bar();
  }
  // foo 方法对应的字节码如下：
  public void foo();
    0  invokestatic FooTest.bar() : boolean [24]
    3  pop
    4  return
invokestatic指令依然会将返回值压入pop方法的操作数栈
因此JVM需要执行额外的pop指令，将返回值舍弃

swap 交换栈顶两个元素的值

局部变量区

字节码程序将计算的结果缓存在局部变量表
局部变量表类似于一个数组，依次存放
- this指针（针对实例方法）
- 所传入的参数
- 字节码中的局部变量
  
  public void locals(long l, float f) {
  {
  int i = 0;
  }
  {
  String s = "Hello Word";
  }
  }
  
  // 对应的字节码
  public void locals(long, float);
  descriptor: (JF)V
  flags: ACC_PUBLIC
  Code:
  stack=1, locals=5, args_size=3 //Java编译器在编译时就已经能确定操作数栈、局部变量表的大小以及参数个数(非static方法多一个this)
  0: iconst_0
  1: istore 4
  3: ldc // String Hello Word
  5: astore 4
  7: return
  1. locals是一个实例方法，局部变量表的第0个单元存放this指针
  2. 第一个参数为long类型，占用局部变量表的第1、2个单元
  3. 第二个参数为float类型，占用局部变量表的第3个单元
  4. 方法体内的两个代码块中，分别定义了局部变量i和s，两者的生命周期没有重合,Java编译器将它们编排至同一单元，即局部变量表的第4个单元(istore 4和astore 4)
存储在局部变量区的值，通常需要加载至操作数栈中，方能进行计算，得到计算结果后再存储至局部变量数组中。这些加载、存储指令是区分类型的。例如，int 类型的加载指令为 iload，存储指令为 istore。

综合示例

public static int bar(int i) {
  return ((i + 1) - 2) * 3 / 4;
}
// 对应的字节码如下：
Code:
  stack=2, locals=1, args_size=1 //Java编译器在编译时就已经能确定操作数栈、局部变量表的大小为1以及参数个数1个(static方法无this)
     0: iload_0
     1: iconst_1
     2: iadd
     3: iconst_2
     4: isub
     5: iconst_3
     6: imul
     7: iconst_4
     8: idiv
     9: ireturn

可以看到上图中最多使用了两个操作数栈