6 字节码指令简介
目录
1 学习总结
2 关于字节码指令
本章内容不深入讲解指令的执行过程，只对指令列表的及其基本功能说明。
2.1 指令组成
字节码指令：指令编码+操作数组成。如下图所示：
- 指令编码用二进制数来表示，分配1字节大小。因此字节码指令最多有2^8，即256条。
- 操作数不使用对齐补零方式填充，因此如果超过1字节的数据，可能拆解成N部分来存储。如下所示：
譬如要将一个16位长度的无符号整数使用两个无符号字节存储起来（假设将它们命名为byte1和byte2），那它们的值应该是这样的：(byte1 << 8) | byte2
举例：
原数：1111 0000 0000 1111
拆解后：
byte1：1111 0000
byte2 ：0000 1111
(byte1 << 8) | byte2 = (1111 0000)<<8 | (0000 1111) = 111 0000 000 1111
字节码指令设计方式优缺点：
- 放弃了操作数长度对齐，省略掉大量的填充和间隔符号
- 用一个字节来代表操作码，编译代码变得更加短小精干。求尽可能小数据量、高传输效率的设计是由Java语言设计之初主要面向网络、智能家电的技术背景所决定的，并一直沿用至今。
- 缺点：解释执行字节码时增加了运算量，降低性能。
2.1 基本执行模型
可以用下面的这段伪代码来描述虚拟机执行字节码的过程：(不考虑异常)
do {
PC寄存器的值加1;
根据PC寄存器指示的位置，从字节码流中取出操作码; //取指
if (字节码存在操作数)
从字节码流中取出操作数; //译码
执行操作码所定义的操作; // 执行
} while (字节码流长度 > 0);
3 字节码指令与数据类型
3.1 指令编码与数据类型相关性
- 大多数指令都包含数据类型信息，例如：iload指令表示加载int型的数据，fload指令加载loat类型。
- 操作码助记符：表明专门为哪种数据类型服务：i代表对int类型的数据操作，l代表long，s代表short，b代表byte，c代表char，f代表 float，d代表double，a代表reference。
- 指令集：对于相同的执行内容，但是操作不同数据类型那些指令，可用指令集来概括表示。例如Tipush指令集包括bipush(int类型)和sipush(short类型)两个指令
3.2 指令不支持的数据类型转换
- 基于指令数量的限制，并非每种数据类型和每一种操作都有对应的指令。对于没有指令支持的操作数类型，编译器会在编译期或运行期将该操作数扩展成可支持的类型，例如将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。（扩展过程暂不展开分析）
4 指令的分类说明
4.1 加载和存储指令
功能：在局部变量表和操作数栈之间执行数据的加载和写回。指令列表分类如下：
| 指令功能 | 指令列表 |
|---|---|
| 将一个局部变量加载到操作栈 | iload、iload_ |
| 将一个数值从操作数栈存储到局部变量表 | istore、istore_ |
| 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_ |
| 扩充局部变量表的访问索引的指令 | wide |
注意：尖括号结尾的，它际上代表了一组指令（例如iload_
4.2 运算指令
功能：对两个操作数栈上的值进行某种运算，并把结果重新存入到栈顶。
（关于入栈出栈的说明，可转入《深入理解计算机系统》专题学习）
| 指令功能 | 指令列表 |
|---|---|
| 加法 | iadd、ladd、fadd、dadd |
| 减法 | isub、lsub、fsub、dsub |
| 乘法 | imul、lmul、fmul、dmul |
| 除法 | idiv、ldiv、fdiv、ddiv |
| 求余 | irem、lrem、frem、drem |
| 取反 | ineg、lneg、fneg、dneg |
| 位移 | ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr |
| 按位或 | ior、lor |
| 按位与 | iand、land |
| 按位或 | ior、lor |
| 按位异或 | ixor、lxor |
| 局部变量自增 | iinc |
| 比较 | dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp |
4.3 类型转换指令
功能：将两种不同的数值类型相互转换
例如：
- 用户代码中的显式类型转换操作
- 指令不支持的数据类型转换
关于宽化/窄化转换类型对比：
| 宽化 | 窄化 | ||
|---|---|---|---|
| 定义 | 小范围类型向大范围类型，例如int转long | 宽化的相反过程 | |
| 是否需要指令完成 | 不需要 | 需要显式指定转换指令 | |
| 是否精度丢失 | 不丢失 | 因为可能溢出而导致符号或者精度丢失 | |
| 是否抛异常 | 无异常 | 数值类型的窄化转换指令不会抛出运行时异常 | |
| 宽化类型转换：小范围类型向大范围类型的安全转换，例如int转long | |||
| 窄化类型转换：宽化的相反过程 |
4.4 对象创建与访问指令
创建指令：JVM对类实例和数组的创建与操作使用了不同的字节码指令
访问指令：对象创建后，通过对象访问指令获取对象实例中的字段或者数组实例中的元素
| 指令功能 | 指令列表 |
|---|---|
| 创建类实例 | new |
| 创建数组 | newarray、anewarray、multianewarray |
| 访问类变量 | getstatic、putstatic |
| 访问实例变量 | getfield、putfield |
| 把数组元素加载到操作数栈 | baload、caload、saload、iaload、laload、faload、 daload、aaload |
| 将一个操作数栈的值储存到数组元素中 | bastore、castore、sastore、iastore、fastore、 dastore、aastore |
| 取数组长度 | arraylength |
| 检查类实例类型的指令 | instanceof、checkcast |
4.5 操作数栈管理指令
功能：操作操作数栈
| 指令功能 | 指令列表 |
|---|---|
| 将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈 | pop、pop2 |
| 复制栈顶一个或两个数值并将复制值或双份的复制值重新压入栈顶 | dup、dup2、dup_x1、 dup2_x1、dup_x2、dup2_x2 |
| 将栈最顶端的两个数值互换 | swap |
4.6 控制转移指令
功能：判断并地修改PC寄存器的值。
| 指令功能 | 指令列表 |
|---|---|
| 条件分支 | ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、 if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq和if_acmpne |
| 复合条件分支 | tableswitch、lookupswitch |
| 无条件分支 | goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret |
4.7 方法调用和返回指令
方法调用指令如下：
| 指令 | 指令功能 |
|---|---|
| invokevirtual | 用于调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派 |
| invokeinterface | 用于调用接口方法，它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象，找出适合的方法进行调用 |
| invokespecial | 用于调用一些需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化方法、私有方法和父类方法 |
| invokestatic | 用于调用类静态方法 |
| invokedynamic | 在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，然后再执行该方法 |
方法返回指令：
- 方法返回指令是根据返回值的类型区分的
- ireturn（当返 回值是boolean、byte、char、short和int类型时使用）、lreturn、freturn、dreturn和areturn
- return指令供声明为void的方法、实例初始化方法、类和接口的类初始化方法使用
4.8 异常处理指令
| 指令 | 指令功能 |
|---|---|
| athrow | 显式抛出异常的 |
4.9 同步指令
monitorenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字。
详细参考《3、Java并发 - synchronized详解》
- jvm从方法常量池中的方法表结构中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志得知一个方法是否被声明为同步方法。
- 当方法调用时，调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程就要求先成功持有锁，然后才能执行方法
- 最后当方法完成（无论是正常完成 还是非正常完成）时释放锁。
- 在方法执行期间，执行线程持有了锁，其他任何线程都无法再获取到同一个锁。
- 如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同 步方法所持有的锁将在异常抛到同步方法边界之外时自动释放。
字节码例子说明同步指令：
void onlyMe(Foo f){
synchronized(f){
doSomething();
}
}
字节码指令部分如下：
注意：为了保证在方法异常完成时monitorenter和monitorexit指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理程序，这个异常处理程序声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行monitorexit指令。
