[四] java虚拟机JVM编译器编译代码简介 字节码指令实例 代码到底编译成了什么形式
[四] java虚拟机JVM编译器编译代码简介 字节码指令实例 代码到底编译成了什么形式
前言简介
前文已经对虚拟机进行过了简单的介绍,并且也对class文件结构,以及字节码指令进行了详尽的说明
想要了解JVM的运行机制,以及如何优化你的代码,你还需要了解一下,java编译器到底是如何编译你的代码的
本文不是从最底层的编译原理讲解
本文是针对java代码,去查看归纳总结编译器的结果行为,从而直观的感受到字节码指令集
也就是说本文的内容,主要针对的是使用javap 查看字节码文件中方法的code属性中的字节码内容
让你从java代码 class文件格式,以及字节码指令集 进行一个直观的演示
提醒:
如果你对字节码指令不了解,而且,没有看过前面的文章,本文可能会轻度不适.
本文示例只是为了展示
您应该经常查看你自己的代码的class文件去发现其中的规律
一条普通的指令格式
<index> <opcode> [ <operand1> [ <operand2>... ]] [<comment>] index 表示偏移量 行号 等 opcode 表示操作码 operandX表示操作数 comment 为注释 |
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比如下图所示
行号 0 , 操作码 getstatic ,操作数 #24 注释为 Field java/lang/System..................
![image_5b879224_252b_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/lvpyvu68sn.png)
其中 index 行号/偏移量 可以作为控制跳转指令的跳转目标 比如 goto 8 表示跳转到索引为8的指令上 |
|---|
还有一点需要注意的是,javap查看到的内容,你可以认为是class文件表述的信息,但是绝不能理解为就是class文件中的内容
比如,class文件中没有操作码的助记符,比如,getstatic ,都是指令的二进制值
再比如刚才说到的,跳转到指定行号,对于控制转移指令,实际的操作数是在当前指令的操作码集合中的地址偏移量
并不是那个8
只不过javap工具按照更适合我们阅读的方式进行了翻译
加载存储与算数指令
public static void main(String[] args) {
int i = -1;
int j = 3;
int k = 5;
int l = 127;
int m = 32767;
int n = 32768;
int add = i+j;
int sub = i-j;
int mul = j*k;
int div = j/k;
int rem = k%j;
int neg = ~j;
int inc = i++;
}![image_5b879224_2d18_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/tpeq96hiu6.png)
-1 ~ 5 使用const加载到操作数栈 其中-1 使用iconst_m1-128~127 使用bipush -32768~32767使用sipush其余常量池ldcstore从操作数栈保存到局部变量表load加载局部变量到操作数栈 |
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0. 常量-1 加载到操作数栈1. 操作数栈保存到1号局部变量表 也就是 i = -1;2. 常量 3 加载到操作数栈 3. 操作数栈保存到2号局部变量表 也就是j = 3;4. 常量 5 加载到操作数栈 5. 操作数栈保存到3号局部变量表 也就是k =5;6. 常量 127 加载到操作数栈 8. 操作数栈保存到4号局部变量表 也就是l = 127; 10.常量 32767 加载到操作数栈 13.操作数栈保存到5号局部变量表 也就是m = 32767;15.加载#17号常量池数据到操作数栈17. 操作数栈保存到6号局部变量表 也就是n = 32768;19. 加载1号局部变量到操作数栈 对应 i20. 加载2号局部变量到操作数栈 对应 j21. 执行iadd指令计算并将结果压入栈顶 对应 i+j;22. 保存栈顶元素到7号局部变量24. 加载1号局部变量到操作数栈 对应 i25. 加载2号局部变量到操作数栈 对应 j26.执行isub指令计算并将结果压入栈顶 对应i-j;27. 保存栈顶元素减法结果到8号局部变量29,30 加载 2号和3号局部变量到操作数栈 也就是j k31 执行imul指令并将结果压栈 j*k32 保存栈顶元素乘法结果到9号局部变量34.35 加载 2号和3号局部变量到操作数栈 也就是j k36 执行idiv 结果压入栈顶37保存idiv结果到10号局部变量39.40 加载3号 和 2号 也就是k j41 执行求余irem 结果压入栈顶42 栈顶元素结果保存到11号局部变量44加载2号局部变量 对应 j 到操作数栈45 加载常量-1到操作数栈46 执行异或运算结果压入栈顶 (~x = -1 ^ x;)47栈顶结果保存到12号局部变量49 加载1号局部变量 对应 i50 执行增量 1 计算 结果压入栈顶53 栈顶结果保存到13号变量55 void方法 return返回 |
类型转换指令
public static void main(String[] args) {
boolean bNum = true;
char cNum = 2;
byte byteNum = 127;
short sNum = 32767;
int iNum = 100;
long lNum = 65536;
float fNum = 2.5f;
double dNum = 6.8;
char c1 = (char)byteNum;
char c2 = (char)sNum;
char c3 = (char)iNum;
char c4 = (char)lNum;
char c5 = (char)fNum;
char c6 = (char)dNum;
byte b1 = (byte)cNum;
byte b2 = (byte)sNum;
byte b3 = (byte)iNum;
byte b4 = (byte)lNum;
byte b5 = (byte)fNum;
byte b6 = (byte)dNum;
short s1 = (short)cNum;
short s2 = (short)byteNum;
short s3 = (short)iNum;
short s4 = (short)lNum;
short s5 = (short)fNum;
short s6 = (short)dNum;
int i1 = (int)cNum;
int i2 = (int)byteNum;
int i3 = (int)sNum;
int i4 = (int)lNum;
int i5 = (int)fNum;
int i6 = (int)dNum;
long l1 = (long)byteNum;
long l2 = (long)cNum;
long l3 = (long)sNum;
long l4 = (long)iNum;
long l5 = (long)fNum;
long l6 = (long)dNum;
float f1 = (float)byteNum;
float f2 = (float)cNum;
float f3 = (float)sNum;
float f4 = (float)iNum;
float f5 = (float)lNum;
float f6 = (float)dNum;
double d1 = (double)byteNum;
double d2 = (double)cNum;
double d3 = (double)sNum;
double d4 = (double)iNum;
double d5 = (double)lNum;
double d6 = (double)fNum;
}javap解析后的内容太长,接下来分段解析
数据的加载与存储
![image_5b879224_1328_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/i54a1t3y25.png)
从数据的存储可以看得出来 boolean内部使用的是数值1 也就是1 表示true
数据类型转换为char类型
char byte short int 内部形式均为int 所以转换为char是,使用的全都是 i2c
long float double 先转换为int(l2i f2i d2i) 然后在统一使用 i2c 转换为char
![image_5b879225_45f1_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/a5vroc5c53.png)
数据类型转换为byte 类型
char byte short int 内部形式均为int 所以转换为byte时,使用的全都是 i2b
long float double 先转换为int(l2i f2i d2i) 然后在统一使用 i2b 转换为 byte
![image_5b879225_7927_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/0x4jifw425.png)
数据类型转换为short 类型
还是同样的道理,char byte short int 内部形式均为int 所以转换为short 使用的是 i2s
long float double 先转换为int(l2i f2i d2i) 然后在统一使用 i2s 转换为 short
![image_5b879225_7e40_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/ilm3i3wiio.png)
数据类型转换为int 类型
char byte short内部都是int类型.将他们转换为int时,不需要进行转换
如下图所示,一个load 对应一个store
long float double (l2i f2i d2i) 转换为int
![image_5b879225_4c4a_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/l39w838gv5.png)
数据类型转换为long 类型
char byte short int 内部都是int类型.将他们转换为long 时,使用 i2l
float double 转换为long f2l d2l
![image_5b879225_209d_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/enn6px716h.png)
数据类型转换为float 类型
char byte short int 内部都是int类型.将他们转换为float 时,使用 i2f
long double 转换为float l2f d2f
![image_5b879225_2e9e_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/106y9q1i3d.png)
数据类型转换为double 类型
char byte short int 内部都是int类型.将他们转换为double 时,使用 i2d
long
float 转换为double l2d f2d
![image_5b879225_4660_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/1i92b2vzry.png)
类相关指令
class Super{
}
class Sub extends Super{
}
new Object();
new Super();
Super s = new Super();
new Double(1.5);
new Sub();
Sub sub = new Sub();![image_5b879225_51b9_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/l9y3qcfi93.png)
new Object(); new Super(); 没有赋值给局部变量 仅仅是创建对象 调用new之后,堆中对象的引用保存在栈顶 然后调用构造方法invokespecial Super s = new Super(); 同上面的,需要调用new 因为还需要保存到局部变量 所以new之后 先copy一个,也就是dup 然后调用构造方法 invokespecial 然后从操作数栈保存到局部变量 store |
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Super super1 = new Super();
Sub sub = new Sub();
//父类引用可以指向子类
//子类引用不能指向父类
//但是对于指向子类的父类引用 可以通过类型转换为子类
Super subToSuper = sub;
Sub superToSub = (Sub) subToSuper;![image_5b879225_2fff_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/lur4j2yp31.png)
0 创建Spper3 复制4 调用构造方法7 保存到1号局部变量8 创建Sub11 复制12调用构造方法15 保存到2号局部变量16 2号加载到操作数栈17保存到3号局部变量18加载3号局部变量到栈19 checkcast 进行校验确认是否可以转换为指定类型 否则报错抛 classCastException22 再次保存到局部变量 |
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控制转移指令
void intWhile() {
int i = 0;
while (i < 100) {
i++;
}
}
void intDoWhile() {
int i = 0;
do {
i++;
}
while (i < 100);
}
void intFor() {
int j = 0;
for(int i =0;i<100;i++) {
j++;
}
}![image_5b879225_6bae_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/715gminvxv.png)
intWhile()方法0. 加载常量0 到操作数栈1.保存操作数栈元素到1号局部变量 i= 0;2.直接跳转到第8行8.1号局部变量加载到操作数栈 也就是i 作为第一个元素9.加载常量100到操作数栈 也就是100作为第二个元素11.比较大小,如果前者小于后者 也就是如果 i <100 满足 跳转到第5行 否则顺序执行到14 return5.给1号局部变量以增量1 增加然后 8-->9-->11-->5-->8-->9-->11......往复循环 直到条件不满足,从11 跳转到14 结束 |
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intDoWhile()0.加载常量0到操作数栈1.保存常量0 到1号局部变量2.给1号局部变量以增量1 进行自增5.1号局部变量加载到操作数栈6.常量100加载到操作数栈8,比较大小 如果前者小于后者也就是 1号局部变量 i<100 跳转到第2行然后进行往复循环,直到条件不满足,然后顺序到return |
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intFor()0. 加载常量0 到操作数栈1. 保存栈顶元素到1号局部变量 j=0;2. 加载常量0到操作数栈3. 保存栈顶元素到2号局部变量i=0;4. 跳转到13行13. 加载2号局部变量到操作数栈14. 加载常量100到操作数栈16. 比较大小,如果前者 2号局部变量 i <100 跳转到77. 1号局部变量以增量1 自增 j++10. 2号局部变量以增量1 自增 i++13. 2号局部变量加载到操作数栈 14. 加载常量100到操作数栈 16. 比较大小,如果前者 2号局部变量 i <100 跳转到7 往复循环 如果条件不满足 从16 顺序到19 结束方法 return |
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public void fun() {
int i = 0;
if(i<2) {
i++;
}else {
i--;
}
}![image_5b879225_6ec9_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/rc0d4zmq7c.png)
0, 加载常量0 到栈顶1,保存栈顶元素 (0) 到1号局部变量2. 加载1号局部变量到栈顶3. 加载常量2 到栈顶4,比较如果大于后者等于跳转到13 然后1号局部变量 自增1 然后下一步顺序到16 return否则就是顺序执行到7 1号局部变量 增量为-1 自增运算 然后到10 ,10为跳转到16 return |
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方法调用相关指令
public void invoker() {
method(2);
}
public void method(int i) {
if(i>5) {
System.out.println(i);
}
}![image_5b879225_55f1_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/50qsl1p7h4.png)
invoker()0,加载0号 局变量到栈 (上面基本都是第一个数据被保存到1号局部变量,0 号其实是被this 占用了)1,加载常量2 到操作数栈2.调用实例方法(I)V5 returnmethod(int)0. 加载1号局部变量到操作数栈1. 加载常量5 到操作数栈2比较如果小于等于 跳转到12行 直接返回如果大于那么顺序执行到5行 out 是类型为PrintStream的 System中的静态变量8 加载1号局部变量到操作数栈9 调用实例方法 println 是 PrintStream的实例方法 使用invokevirtual |
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switch 相关
int i = 5;
int j = 6;
switch (i) {
case 1:
j = j + 1;
break;
case 3:
j = j + 2;
break;
case 5:
j = j + 3;
break;
default:
j = j + 4;
}![image_5b879225_5641_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/2xqp2vytpp.png)
0,1,2,4 分别将 5 和 6 加载并存储到1号和2号局部变量5.加载1号局部变量到栈 对应 switch (i) {然后根据tableswitch 表 进行跳转虽然我们只有1,3,5 但是设置了1到5 ,对于2 和 4 直接跳转到default40: 2号局部变量 +1顺序到4343: 跳转到61 return 46: 2号局部变量 +2 顺序到49 49: 跳转到61 return 52: 2号局部变量 +3 顺序到55 55: 跳转到61 return 58 2号局部变量 +4顺序到61 return |
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int j = 6;
String string = "hehe";
switch (string) {
case "A":
j = j + 1;
break;
case "hehe":
j = j + 2;
break;
case "C":
j = j + 3;
break;
default:
j = j + 4;
}![image_5b879226_5e68_thumb[4]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/bdvec2w9uv.png)
0 加载常量6到栈1 保存到 1 号局部变量3.加载常量池 #36 到栈5 保存到2 号局部变量6 加载2号局部变量 到栈7 复制栈顶元素8 复制的元素保存到3号局部变量9 调用String实例化方法hashCode12, lookupswitch表中,不在类似tableswitch 了,那个是连续的lookupswitch 是不连续的我们总共有三个case一个default lookupswitch 总共有4项"A" 的hashCode 为 65"C" 的hashCode为 67"hehe" 的hashCode为 3198650 不信的话,自己写个main方法打印下经过12行 路由之后跳转到指定的序列你会发现三个case他们的过程是一样的加载3号局部变量 ,然后将常量 A C hehe 也加载到栈然后调用equal方法进行比较 |
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代码千千万,本文只是找一些基本的示例展示字节码与代码的对应关系,想要熟悉这块
唯有没事多javap看看你代码的class文件,才能通宵领悟,进而更好地优化你的代码
比如看看下面的一个很典型的例子
int i = 5;
int j = 8;
int k = i+j;
int l = 3+6;![image_5b879226_3a97_thumb[1]](https://ask.qcloudimg.com/http-save/yehe-3251371/qh3phehlij.png)
前一部分:0. 常量5 加载到栈1,保存到 1号局部变量2. 常量8 加载到栈4 保存到2号 局部变量5,加载1号局部变量6, 加载2号局部变量7 执行iadd 结果会压入栈顶8 栈顶元素保存到3号局部变量至此 完成了前三行代码后一部分:9.常量9 加载到栈 (3+6 已经被计算好了)11,保存到4号局部变量 |
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