原 JVM基础命令

介绍java虚拟机的指令功能，至少能阅读java代码生成的字节码指令含义

一、概述

Java虚拟机采用基于栈的架构，其指令由操作码和操作数组成。

• 操作码：一个字节长度(0~255)，意味着指令集的操作码个数不能操作256条。
• 操作数：一条指令可以有零或者多个操作数，且操作数可以是1个或者多个字节。编译后的代码没有采用操作数长度对齐方式，比如16位无符号整数需使用两个字节储存(假设为byte1和byte2)，那么真实值是 (byte1 << 8) | byte2。

放弃操作数对齐操作数对齐方案：

• 优势：可以省略很多填充和间隔符号，从而减少数据量，具有更高的传输效率；Java起初就是为了面向网络、智能家具而设计的，故更加注重传输效率。
• 劣势：运行时从字节码里构建出具体数据结构，需要花费部分CPU时间，从而导致解释执行字节码会损失部分性能。

二、指令

大多数指令包含了其操作所对应的数据类型信息，比如iload，表示从局部变量表中加载int型的数据到操作数栈；而fload表示加载float型数据到操作数栈。由于操作码长度只有1Byte，因此Java虚拟机的指令集对于特定操作只提供有限的类型相关指令，并非为每一种数据类型都有相应的操作指令。必要时，有些指令可用于将不支持的类型转换为可被支持的类型。

对于byte,short,char,boolean类型，往往没有单独的操作码，通过编译器在编译期或者运行期将其扩展。对于byte,short采用带符号扩展，chart,boolean采用零位扩展。相应的数组也是采用类似的扩展方式转换为int类型的字节码来处理。 下面分门别类来介绍Java虚拟机指令，都以int类型的数据操作为例。

栈是指操作数栈

2.1 栈操作相关

load和store

• load 命令：用于将局部变量表的指定位置的相应类型变量加载到栈顶；
• store命令：用于将栈顶的相应类型数据保入局部变量表的指定位置；

const、push和ldc

• const、push：将相应类型的常量放入栈顶
• ldc:则是从常量池中将常量

pop和dup

• pop用于栈顶数值出栈操作；
• dup用于赋值栈顶的指定个数的数值，并将其压入栈顶指定次数；

注意：dup2对于long、double类型的数据就是一个，对于其他类型的数据，才是真正的两个，这个的2代表的是2个slot的数据。

2.2 对象相关

字段调用

方法调用

方法返回

对象和数组

• 创建类实例： new
• 创建数组：newarray、anewarray、multianewarray
• 数组元素 加载到 操作数栈：xaload (x可为b,c,s,i,l,f,d,a)
• 操作数栈的值 存储到数组元素： xastore (x可为b,c,s,i,l,f,d,a)
• 数组长度：arraylength
• 类实例类型：instanceof、checkcast

2.3 运算指令

运算指令是用于对操作数栈上的两个数值进行某种运算，并把结果重新存入到操作栈顶。Java虚拟机只支持整型和浮点型两类数据的运算指令，所有指令如下：

其他运算：

• 位移：ishl,ishr,iushr,lshl,lshr,lushr
• 按位或： ior,lor
• 按位与： iand, land
• 按位异或： ixor, lxor
• 自增：iin
• 比较：dcmpg,dcmpl,fcmpg,fcmpl,lcmp

2.4 类型转换

类型转换用于将两种不同类型的数值进行转换。

(1) 对于宽化类型转换(小范围向大范围转换)，无需显式的转换指令，并且是安全的操作。各种范围从小到大依次排序： int, long, float, double。

(2)对于窄化类型转换，必须显式地调用类型转换指令，并且该过程很可能导致精度丢失。转换规则中需要特别注意的是当浮点值为NaN, 则转换结果为int或long的0。虽然窄化运算可能会发生上/下限溢出和精度丢失等情况，但虚拟机规范明确规定窄化转换U不可能导致虚拟机抛出异常。

类型转换指令：i2b, i2c,f2i等等。

2.5 流程控制

控制指令是指有条件或无条件地修改PC寄存器的值，从而达到控制流程的目标

• 条件分支：ifeq、iflt、ifnull、ifnonnull等
• 复合分支：tableswitch、lookupswitch
• 无条件分支：goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret

2.6 同步与异常

异常：

Java程序显式抛出异常： athrow指令。在Java虚拟机中，处理异常(catch语句)不是由字节码指令来实现，而是采用异常表来完成。

同步：

方法级的同步和方法内部分代码的同步，都是依靠管程(Monitor)来实现的。

Java语言使用synchronized语句块，那么Java虚拟机的指令集中通过monitorenter和monitorexit两条指令来完成synchronized的功能。为了保证monitorenter和monitorexit指令一定能成对的调用（不管方法正常结束还是异常结束），编译器会自动生成一个异常处理器，该异常处理器的主要目的是用于执行monitorexit指令。

2.7 小结

在基于堆栈的的虚拟机中，指令的主战场便是操作数栈，除了load是从局部变量表加载数据到操作数栈以及store储存数据到局部变量表，其余指令基本都是用于操作数栈的。