JVM笔记（2）-笑谈Java字节码指令
基础不牢，地动山摇，Java仍然是业界主流的开发语言之一，Java生态圈中有大量的组件框架，也包括大量大数据的组件如Hadoop等。我们想要更熟练透彻地掌握这些组件框架并更好地开发自己的程序，深入学习JVM的基础很有必要。本篇深入浅出来讲述Java字节码指令运行的过程，避免过度深入太多细节，让学习者可以对JVM解析字节码以及运行指令的过程有一个宏观的认识，对继续深入学习JVM相关知识有总体的把控。
1.准备程序和字节码
Java：
public class ByteCodeT { private String name; public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } public void hi() { String s12 = "hi ".concat(name); hello(s12); } public String hello(String s2) { return s2; } public String getToken() { return UUID.randomUUID() .toString() .replace("-", "") + name.hashCode(); } }
在class文件目录输入命令打印出字节码(-v是打印全面字节码信息，-p是涵盖所有成员)：
javap -v -p ByteCodeT
字节码：
警告: 二进制文件ByteCodeT包含com.lims.pracpro.jdkprac.ByteCodeT Classfile /E:/Code/flickeringproject/pracpro/target/classes/com/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT.class Last modified 2020-9-17; size 1319 bytes MD5 checksum 1c5e715a75b59bba2b0228e7757fa33d Compiled from "ByteCodeT.java" public class com.lims.pracpro.jdkprac.ByteCodeT minor version: 0 major version: 52 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER Constant pool: #1 = Methodref #18.#40 // java/lang/Object."<init>":()V #2 = Fieldref #17.#41 // com/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT.name:Ljava/lang/String; #3 = String #42 // hi #4 = Methodref #43.#44 // java/lang/String.concat:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String; #5 = Methodref #17.#45 // com/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT.hello:(Ljava/lang/String;)Ljava/lan g/String; #6 = Class #46 // java/lang/StringBuilder #7 = Methodref #6.#40 // java/lang/StringBuilder."<init>":()V #8 = Methodref #47.#48 // java/util/UUID.randomUUID:()Ljava/util/UUID; #9 = Methodref #47.#49 // java/util/UUID.toString:()Ljava/lang/String; #10 = String #50 // - #11 = String #51 // #12 = Methodref #43.#52 // java/lang/String.replace:(Ljava/lang/CharSequence;Ljava/lang/CharSeque nce;)Ljava/lang/String; #13 = Methodref #6.#53 // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBu ilder; #14 = Methodref #43.#54 // java/lang/String.hashCode:()I #15 = Methodref #6.#55 // java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder; #16 = Methodref #6.#49 // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String; #17 = Class #56 // com/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT #18 = Class #57 // java/lang/Object #19 = Utf8 name #20 = Utf8 Ljava/lang/String; #21 = Utf8 <init> #22 = Utf8 ()V #23 = Utf8 Code #24 = Utf8 LineNumberTable #25 = Utf8 LocalVariableTable #26 = Utf8 this #27 = Utf8 Lcom/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT; #28 = Utf8 getName #29 = Utf8 ()Ljava/lang/String; #30 = Utf8 setName #31 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V #32 = Utf8 hi #33 = Utf8 s12 #34 = Utf8 hello #35 = Utf8 (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String; #36 = Utf8 s2 #37 = Utf8 getToken #38 = Utf8 SourceFile #39 = Utf8 ByteCodeT.java #40 = NameAndType #21:#22 // "<init>":()V #41 = NameAndType #19:#20 // name:Ljava/lang/String; #42 = Utf8 hi #43 = Class #58 // java/lang/String #44 = NameAndType #59:#35 // concat:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String; #45 = NameAndType #34:#35 // hello:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String; #46 = Utf8 java/lang/StringBuilder #47 = Class #60 // java/util/UUID #48 = NameAndType #61:#62 // randomUUID:()Ljava/util/UUID; #49 = NameAndType #63:#29 // toString:()Ljava/lang/String; #50 = Utf8 - #51 = Utf8 #52 = NameAndType #64:#65 // replace:(Ljava/lang/CharSequence;Ljava/lang/CharSequence;)Ljava/lang/S tring; #53 = NameAndType #66:#67 // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder; #54 = NameAndType #68:#69 // hashCode:()I #55 = NameAndType #66:#70 // append:(I)Ljava/lang/StringBuilder; #56 = Utf8 com/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT #57 = Utf8 java/lang/Object #58 = Utf8 java/lang/String #59 = Utf8 concat #60 = Utf8 java/util/UUID #61 = Utf8 randomUUID #62 = Utf8 ()Ljava/util/UUID; #63 = Utf8 toString #64 = Utf8 replace #65 = Utf8 (Ljava/lang/CharSequence;Ljava/lang/CharSequence;)Ljava/lang/String; #66 = Utf8 append #67 = Utf8 (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder; #68 = Utf8 hashCode #69 = Utf8 ()I #70 = Utf8 (I)Ljava/lang/StringBuilder; { private java.lang.String name; descriptor: Ljava/lang/String; flags: ACC_PRIVATE public com.lims.pracpro.jdkprac.ByteCodeT(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=1, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return LineNumberTable: line 11: 0 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 5 0 this Lcom/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT; public java.lang.String getName(); descriptor: ()Ljava/lang/String; flags: ACC_PUBLIC Code: stack=1, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: getfield #2 // Field name:Ljava/lang/String; 4: areturn LineNumberTable: line 15: 0 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 5 0 this Lcom/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT; public void setName(java.lang.String); descriptor: (Ljava/lang/String;)V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=2, locals=2, args_size=2 0: aload_0 1: aload_1 2: putfield #2 // Field name:Ljava/lang/String; 5: return LineNumberTable: line 19: 0 line 20: 5 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 6 0 this Lcom/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT; 0 6 1 name Ljava/lang/String; public void hi(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=2, locals=2, args_size=1 0: ldc #3 // String hi 2: aload_0 3: getfield #2 // Field name:Ljava/lang/String; 6: invokevirtual #4 // Method java/lang/String.concat:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Stri ng; 9: astore_1 10: aload_0 11: aload_1 12: invokevirtual #5 // Method hello:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String; 15: pop 16: return LineNumberTable: line 23: 0 line 24: 10 line 25: 16 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 17 0 this Lcom/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT; 10 7 1 s12 Ljava/lang/String; public java.lang.String hello(java.lang.String); descriptor: (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String; flags: ACC_PUBLIC Code: stack=1, locals=2, args_size=2 0: aload_1 1: areturn LineNumberTable: line 28: 0 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 2 0 this Lcom/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT; 0 2 1 s2 Ljava/lang/String; public java.lang.String getToken(); descriptor: ()Ljava/lang/String; flags: ACC_PUBLIC Code: stack=4, locals=1, args_size=1 0: new #6 // class java/lang/StringBuilder 3: dup 4: invokespecial #7 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V 7: invokestatic #8 // Method java/util/UUID.randomUUID:()Ljava/util/UUID; 10: invokevirtual #9 // Method java/util/UUID.toString:()Ljava/lang/String; 13: ldc #10 // String - 15: ldc #11 // String 17: invokevirtual #12 // Method java/lang/String.replace:(Ljava/lang/CharSequence;Ljava/lan g/CharSequence;)Ljava/lang/String; 20: invokevirtual #13 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/la ng/StringBuilder; 23: aload_0 24: getfield #2 // Field name:Ljava/lang/String; 27: invokevirtual #14 // Method java/lang/String.hashCode:()I 30: invokevirtual #15 // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder; 33: invokevirtual #16 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String; 36: areturn LineNumberTable: line 32: 0 line 33: 10 line 34: 17 line 35: 27 line 32: 36 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 37 0 this Lcom/lims/pracpro/jdkprac/ByteCodeT; } SourceFile: "ByteCodeT.java"
可以看出，几个方法的复杂度：getName<setName<hi<getToken；我们一步一步来看。
选择方法getName（）：
一共三行指令：
第一行，aload_0，看起来应该是加载东西的，先不管；
第二行，getfield，后面引用了常量池的2号常量，查看常量池可知，2号常量是字段引用（即为String name）
第三行，areturn，即是return返回。
仔细想来，getfield指令传入了参数“Field name:Ljava/lang/String;”并不完整，后半部分只是Ljava/lang/String类型，整个过程究竟取谁的name值？这里get的是谁的field？
由此可以想到第一步的指令是为第二步的取值准备了数据。
结合局部变量表来看，aload_0正是取了局部变量表中第0个槽的数据，意思是将Slot 0中的值压入栈中，其值为this，就是当前类的实例，即getfield的主体。
2.解析
Jvm大帝是神之旨意的履行者（Jvm大帝就是虚拟机，神就是开发者，神之旨意是开发者写好并编译后的字节码...），当Jvm大帝带领Java世界运行进入了一个新的方法后，会为这个方法在栈内存大陆上创造两个重要的领域：局部变量表和操作数栈。
局部变量表里一般会包含this指针（针对实例方法，静态方法当然无此）、方法的所有传入参数和方法中所开辟的本地变量。
我们再引入另外一个比喻，如果把运行Java方法理解为拍戏，那么局部变量表里的各个局部变量就是这部戏的核心主角，或者说领衔主演，而操作数栈正是这部戏的舞台。所谓操作数栈搭台，局部变量唱戏，是也。那么aload_0就是告诉Jvm导演（大帝已沦落为导演），请0号演员this同志登台（压栈），演后边的本子。
当然了，这个比喻并不完全恰当，因为操作数栈并不是“舞台”的结构，而是栈的结构。但是这个比喻可以很好地说明局部变量表和操作数栈之间的关系，以及aload_0的作用。
getfield做的操作：this入栈——》弹出this——》取值
3.方法执行深入
方法执行的操作：
上图展示指令、操作数栈、局部变量表三者的运作关系
关于字节码指令，一是指令的功能，二是指令操作的数据类型。先从功能说起，指令主要可以分为如下几类：
- 存储和加载类指令：主要包括load系列指令、store系列指令和ldc、push系列指令，主要用于在局部变量表、操作数栈和常量池三者之间进行数据调度；（关于常量池前面没有特别讲解，这个也很简单，顾名思义，就是这个池子里放着各种常量，好比片场的道具库）
- 对象操作指令（创建与读写访问）：比如我们刚刚的putfield和getfield就属于读写访问的指令，此外还有putstatic/getstatic，还有new系列指令，以及instanceof等指令。
- 操作数栈管理指令：如pop和dup，他们只对操作数栈进行操作。
- 类型转换指令和运算指令：如add/div/l2i等系列指令，实际上这类指令一般也只对操作数栈进行操作。
- 控制跳转指令：这类里包含常用的if系列指令以及goto类指令。
- 方法调用和返回指令：主要包括invoke系列指令和return系列指令。这类指令也意味这一个方法空间的开辟和结束，即invoke会唤醒一个新的java方法小宇宙（新的栈和局部变量表），而return则意味着这个宇宙的结束回收。
指令操作的数据类型来讲：指令开头或尾部的一些字母，就往往表明了它所能操作的数据类型：
a对应对象，表示指令操作对象性数据，比如aload和astore、areturn等等。
i对应整形。也就有iload，istore等i系列指令。
f对应浮点型。
l对应long，b对应byte，d对应double，c对应char。
另外地，ia对应int array，aa对应object array，da对应double array。不在一一赘述。
解析复杂方法：
解析：
- （红色第1部分）new指令执行，引用常量池6号参数，创建一个StringBuilder对象，在内存中开辟空间（并将其引用入栈），用于实现连接字符串功能，类似C++中的运算符重载。
- dup指令执行，复制栈顶，并入栈，此时栈深为2（2个引用）——（一般new指令后会跟dup复制一份引用，其中一个引用用于init初始化，一个引用给程序员用于赋值等使用）
- invokespecial指令执行，使用常量池7号符号引用（<init>方法初始化），此时用到了栈顶的1个引用参数，栈深变为1。
- （黄色第2部分）invokestatic指令执行，调用UUID.randomUUID()静态方法，结果压栈，并弹出，调用String的toString方法，结果再压栈，此时栈深2。
- （绿色第3部分）字符串“-”、“”入栈，栈深为4，弹出栈顶3个元素，调用String的replace方法，最后一个元素调用方，其余两个为参数，结果入栈，此时栈深2。
- （青色第5部分）弹出栈顶2个元素，调用StringBuilder的append方法，最后一个元素为调用方，先弹出的为参数，结果入栈，栈深为1。
- （粉色第5部分）aload_0指令执行，将局部变量表的第0个变量压栈（this入栈），栈深为2,；弹出栈顶调用方，调用getfield方法，结果入栈，栈深为2；弹出栈顶调用方，调用hashCode方法，结果入栈，栈深为2。
- （洋红第6部分）弹出栈顶2个元素，调用StringBuilder的append方法，最后弹出元素为调用方，先弹出元素为append参数，结果入栈，栈深1；弹出栈顶，调用toString方法，结果压栈，栈深1。
- areturn返回栈顶，栈空，结果返回，方法调用完成。
