入门篇-其之六-附录一-以Java字节码的角度分析i++和++i

前言：众所周知，i++和++i的区别是：i++先将i的值赋值给变量，再将i的值自增1；而++i则是先将i的值自增1，再将结果赋值给变量。因此，二者最终都给i自增了1，只是方式不同而已。

当然，如果在面试过程中面试官问你这个问题，只回答出上述内容，只能说明你对这方面的知识了解的还是太浅显。那么i++和++i到底有什么不同之处呢？

一、局部变量表与操作数栈简介

《深入理解Java虚拟机》第八章对栈帧结构有如下描述Java虚拟机以方法作为最基本的执行单元，“栈帧”（Stack Frame）则是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行背后的数据结构，它也是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈的栈元素。

在一个活动线程中，可能会执行多个方法，因此会存在多个栈帧，和“栈”（先进后出）一样，处于栈顶的栈帧才是真正运行的，处于栈顶的栈帧称作“当前栈帧”（Current Stack Frame），这个栈帧所属的方法称作“当前方法”（Current Method）。

在执行main方法时，main方法所属的线程主线程，假设在主线程中调用了一个method1()方法，在method1()内部调用了method2()方法，在method2()方法执行两个整数运算，示例如下：

/**
 * 方法调用
 *
 * @author iCode504
 * @date 2023-10-23 22:05
 */
public class StackFrameDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main开始执行");
        method1();
        System.out.println("main执行完成");
    }

    private static void method1() {
        System.out.println("method1开始执行");
        int result = method2();
        System.out.println("result = " + result);
        System.out.println("method1执行结束");
    }

    private static int method2() {
        int var1 = 10;
        int var2 = 20;
        return var1 + var2;
    }
}

运行结果：

image-20231023221121858

由代码我们可以看出，main方法最先执行一个输出，然后进入method1执行第一个输出，再完整执行method2。method2执行完成以后，再执行method1，最后执行main方法，由于这段代码中只涉及一个主线程，并且最先完整执行方法的是method2，因此method2对应的栈帧就是当前栈帧，main方法最后执行完毕，因此main方法对应的栈帧在method2和method1之下。以下是这段代码对应的栈帧概念图：

image-20231023222236855

在每一个栈帧中存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态链接和方法返回地址等信息

1.1 局部变量表

局部变量表（Local variable Table）是一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。

局部变量表的容量是以变量槽（Variable Slot）为最小单位，每个变量槽能存储基本数据类型和引用数据类型的数据。为了尽可能节省栈帧消耗的内存空间，局部变量表中的变量槽是可以重用的。

JVM使用索引定位的方式使用索引变量表，索引值的范围是从0开始到局部变量表最大变量槽的数量（类似数组结构）。

当一个方法被调用的时候，JVM会使用局部变量表来完成参数值到参数变量列表的传递，即实参到形参的传递。

1.2 操作数栈

操作数栈（Operand Stack）也称作操作数栈，它是一个栈结构（后进先出，例如手枪的弹夹，先打出去的子弹是最顶上的子弹）。

在方法开始执行的时候，这个方法对应的操作数栈是空的，在方法执行过程中，会有各种字节码指令向操作数栈中写入或读取内容，即出栈和入栈操作，例如：两数相加运算时，就需要将两个数压入栈顶后调用运算指令。

操作数栈中的元素的数据类型必须和字节码指令序列严格匹配，在编译程序代码的时候编译器必须要严格保证这一点，在类的校验阶段的数据流分析时候还需要再次校验。例如：执行加法iadd（i是int类型，add是两个数相加）命令时，就需要保证两个操作数必须是int类型，不能出现其他类型相加的情况。

二、字节码分析（图解）

我们可以从字节码的角度进一步对i++和++i的执行过程做进一步的分析。以下面代码为例：

/**
 * i++和++i的深入分析
 * 
 * @author iCode504
 * @date 2023-10-17 5:58
 */
public class IncrementAndDecrementOperators2 {
    public static void main(String[] args) {
        int intValue1 = 2;
        int intValue2 = 2;
        int result1 = intValue1++;
        int result2 = ++intValue2;
        System.out.println("result1 = " + result1);
        System.out.println("result2 = " + result2);
    }
}

我们需要查看编译后的字节码文件，字节码文件不能直接使用记事本打开，但是我们可以使用javap -verbose 文件名.class命令，以IncrementAndDecrementOperators2.class为例：

javap -verbose IncrementAndDecrementOperators2.class

此时就会打开所有的字节码文件，我们只需要关注main方法内的执行过程即可：

image-20231017063620627

首先来解释一下这四行代码的含义：

0: iconst_2
1: istore_1
2: iconst_2
3: istore_2
  • iconst_2一共有两部分组成，i指的是int类型（源代码中我们定义的确实是int类型），const代表常量（数字2是整型常量），iconst_2的含义是将2入操作数栈。
  • istore_1中的store代表的是存储，istore_1的含义是将操作数栈中的数值2出栈，存入到局部变量表1的位置。同理，i_store2表示将操作数栈中的数值2出栈，存储到局部变量表2的位置。

以下是前面四行代码存储过程图（存储过程全部流程图点击此链接下载：点我下载）：

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image-20231023180636090

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此时我们继续观察4-8行代码：

4: iload_1
5: iinc			1, 1
8: istore_3
  • iload_1的作用是将局部变量表1号位置存储的值移动到操作数栈的栈顶。
  • 第5行的iinc有两个参数，第一个参数1是局部变量表的位置，另一个参数1的含义是在该位置存储一个1，如果这个位置存在值，那么这个值的结果是已存在值 + 参数值。
  • istore_3将操作数栈中的数移动到局部变量表的3号位置。

以下是这三行代码的示意图：

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9-12行的字节码的作用原理和4-8行的作用原理基本相同：

9: iinc			2, 1
12: iload_2
13: istore		4

istore 4的作用是将操作数栈中的值存储到局部变量表4号位置。

以下是这三行代码的示意图：

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接下来15-30行是和系统输出有关的。其中第30行iload_3在局部变量表中（这个值为2）值移动到操作数栈顶供系统输出，事实上iload_3的值正好对应源代码中变量result1的值。也就是说，result1输出结果就是iload_3的数值2。

image-20231021153508365

同理，iload 4就是第二个要输出的值，在局部变量表中第4个位置存储的值正好是3，而输出的变量名是result2，因此result2的输出结果是3。

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三、i++和++i性能分析

i++和++i主要用在普通for循环上，那么我们就将二者用在for循环上，循环相同的次数，从字节码的角度进行分析。

以下是使用i++和++i的两个for循环文件：

/**
 * i++在for循环的使用
 *
 * @author ZhaoCong
 * @date 2023-10-21 16:14:33
 */
public class LoopTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {

        }
    }
}

/**
 * ++i在for循环的使用
 *
 * @author ZhaoCong
 * @date 2023-10-21 16:15:17
 */
public class LoopTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; ++i) {

        }
    }
}

执行编译命令以后，我们来查看两个文件的字节码：

image-20231021162911742

image-20231021162952984

仔细观察这两个字节码文件内容，我们发现在两个文件main方法的字节码内容完全相同。由此可见，两种方式执行for循环的效率是相同的。

posted @ 2023-10-23 23:26  iCode504  阅读(287)  评论(0)  编辑  收藏  举报