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;

变量进栈

含义

变量保存

含义

iload

第1个int型变量进栈

istore

栈顶nt数值存入第1局部变量

iload_0

第1个int型变量进栈

istore_0

栈顶int数值存入第1局部变量

iload_1

第2个int型变量进栈

istore_1

栈顶int数值存入第2局部变量

iload_2

第3个int型变量进栈

istore_2

栈顶int数值存入第3局部变量

iload_3

第4个int型变量进栈

istore_3

栈顶int数值存入第4局部变量

lload

第1个long型变量进栈

lstore

栈顶long数值存入第1局部变量

fload

第1个float型变量进栈

fstore

栈顶float数值存入第1局部变量

dload

第1个double型变量进栈

dstore

栈顶double数值存入第1局部变量

aload

第1个ref型变量进栈

astore

栈顶ref对象存入第1局部变量

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

常量进栈

含义

aconst_null

null进栈

iconst_m1

int型常量-1进栈

iconst_0

int型常量0进栈

iconst_1

int型常量1进栈

iconst_2

int型常量2进栈

iconst_3

int型常量3进栈

iconst_4

int型常量4进栈

iconst_5

int型常量5进栈

lconst_0

long型常量0进栈

fconst_0

float型常量0进栈

dconst_0

double型常量0进栈

bipush

byte型常量进栈

sipush

short型常量进栈

常量池操作

含义

ldc

int、float或String型常量从常量池推送至栈顶

ldc_w

int、float或String型常量从常量池推送至栈顶(宽索引)

ldc2_w

long或double型常量从常量池推送至栈顶(宽索引)

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;

栈顶操作

含义

pop

栈顶数值出栈(不能是long/double)

pop2

栈顶数值出栈(long/double型1个,其他2个)

dup

复制栈顶数值,并压入栈顶

dup_x1

复制栈顶数值,并压入栈顶2次

dup_x2

复制栈顶数值,并压入栈顶3次

dup2

复制栈顶2个数值,并压入栈顶

dup2_x1

复制栈顶2个数值,并压入栈顶2次

dup2_x2

复制栈顶2个数值,并压入栈顶3次

swap

栈顶的两个数值互换,且不能是long/double

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

字段调用

含义

getstatic

获取类的静态字段,将其值压入栈顶

putstatic

给类的静态字段赋值

getfield

获取对象的字段,将其值压入栈顶

putfield

给对象的字段赋值

方法调用

方法调用

作用

解释

invokevirtual

调用实例方法

虚方法分派

invokestatic

调用类方法

static方法

invokeinterface

调用接口方法

运行时搜索合适方法调用

invokespecial

调用特殊实例方法

包括实例初始化方法、父类方法

invokedynamic

由用户引导方法决定

运行时动态解析出调用点限定符所引用方法

方法返回

方法返回

含义

ireturn

当前方法返回int

lreturn

当前方法返回long

freturn

当前方法返回float

dreturn

当前方法返回double

areturn

当前方法返回ref

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:

运算

int

long

float

double

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

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。

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