JVM-08-bytecode

Bytecode 字节码指令

jvm 内部细节

本文分为三部分，每一部分都分成几个小节。

每个小节都可以单独阅读，不过由于一些概念是逐步建立起来的，如果你依次阅读完所有章节会更简单一些。

每一节都会覆盖到Java代码中的不同结构，并详细介绍了它们是如何编译并执行的。

变量

局部变量

JVM是一个基于栈的架构。方法执行的时候（包括main方法），在栈上会分配一个新的帧，这个栈帧包含一组局部变量。

这组局部变量包含了方法运行过程中用到的所有变量，包括this引用，所有的方法参数，以及其它局部定义的变量。

对于类方法（也就是static方法）来说，方法参数是从第0个位置开始的，而对于实例方法来说，第0个位置上的变量是this指针。

局部变量可以是以下这些类型：

• char

• long

• short

• int

• float

• double

• 引用

• 返回地址

除了long和double类型外，每个变量都只占局部变量区中的一个变量槽(slot)，而long及double会占用两个连续的变量槽，因为这些类型是64位的。

当一个新的变量创建的时候，操作数栈（operand stack）会用来存储这个新变量的值。然后这个变量会存储到局部变量区中对应的位置上。如果这个变量不是基础类型的话，本地变量槽上存的就只是一个引用。这个引用指向堆的里一个对象。

比如：

int i = 5;

编译后就成了

0: bipush      5
2: istore_0

• bipush

用来将一个字节作为整型数字压入操作数栈中，在这里5就会被压入操作数栈上。

• istore_0

这是istore_这组指令集（译注：严格来说，这个应该叫做操作码，opcode ,指令是指操作码加上对应的操作数，oprand。

不过操作码一般作为指令的助记符，这里统称为指令）中的一条，这组指令是将一个整型数字存储到本地变量中。

n代表的是局部变量区中的位置，并且只能是0,1,2,3。再多的话只能用另一条指令istore了，这条指令会接受一个操作数，对应的是局部变量区中的位置信息。

指令执行时的内存布局

这条指令执行的时候，内存布局是这样的：

class文件中的每一个方法都会包含一个局部变量表，如果这段代码在一个方法里面的话，你会在类文件的局部变量表中发现如下的一条记录。

LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
          0      1      1     i         I

字段

Java类里面的字段是作为类对象实例的一部分，存储在堆里面的（类变量对应存储在类对象里面）。

关于字段的信息会添加到类文件里的field_info数组里，像下面这样：

ClassFile {
    u4 magic;
    u2 minor_version;
    u2 major_version;
    u2 constant_pool_count;
    cp_info contant_pool[constant_pool_count – 1];
    u2 access_flags;
    u2 this_class;
    u2 super_class;
    u2 interfaces_count;
    u2 interfaces[interfaces_count];
    u2 fields_count;
    field_info fields[fields_count];
    u2 methods_count;
    method_info methods[methods_count];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

另外，如果变量被初始化了，那么初始化的字节码会加到构造方法里。

下面这段代码编译了之后：

public class SimpleClass {

    public int simpleField = 100;

}

如果你用javap进行反编译，这个被添加到了field_info数组里的字段会多出一段描述信息。

public int simpleField;
    Signature: I
    flags: ACC_PUBLIC

初始化变量的字节码会被加到构造方法里，像下面这样：

public SimpleClass();
  Signature: ()V
  flags: ACC_PUBLIC
  Code:
    stack=2, locals=1, args_size=1
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: aload_0
       5: bipush        100
       7: putfield      #2                  // Field simpleField:I
      10: return

参数详解

• aload_0

从局部变量数组中加载一个对象引用到操作数栈的栈顶。尽管这段代码看起来没有构造方法，

但是在编译器生成的默认的构造方法里，就会包含这段初始化的代码。第一个局部变量正好是this引用，

于是aload_0把this引用压到操作数栈中。aload_0是aload_指令集中的一条，这组指令会将引用加载到操作数栈中。

n对应的是局部变量数组中的位置，并且也只能是0,1,2,3。还有类似的加载指令，它们加载的并不是对象引用，

比如iload_,lload_,fload_,和dload_, 这里i代表int,l代表long,f代表float,d代表double。

局部变量的在数组中的位置大于3的，得通过iload,lload,fload,dload,和aload进行加载，

这些指令都接受一个操作数，它代表的是要加载的局部变量的在数组中的位置。

• invokespecial

这条指令可以用来调用对象实例的构造方法，私有方法和父类中的方法。

它是方法调用指令集中的一条，其它的还有invokedynamic, invokeinterface, invokespecial, invokestatic, invokevirtual.

这里的invokespecial指令调用的是父类也就是java.lang.Object的构造方法。

• bipush

它是用来把一个字节作为整型压到操作数栈中的，在这里100会被压到操作数栈里。

• putfield

它接受一个操作数，这个操作数引用的是运行时常量池里的一个字段，在这里这个字段是simpleField。

赋给这个字段的值，以及包含这个字段的对象引用，在执行这条指令的时候，都 会从操作数栈顶上pop出来。

前面的aload_0指令已经把包含这个字段的对象压到操作数栈上了，而后面的bipush又把100压到栈里。

最后putfield指令会将这两个值从栈顶弹出。执行完的结果就是这个对象的simpleField这个字段的值更新成了100。

内存执行过程

这里的putfield指令的操作数引用的是常量池里的第二个位置。JVM会为每个类型维护一个常量池，

运行时的数据结构有点类似一个符号表，尽管它包含的信息更多。Java中的字节码操作需要对应的数据，

但通常这些数据都太大了，存储在字节码里不适合，它们会被存储在常量池里面，

而字节码包含一个常量池里的引用 。当类文件生成的时候，其中的一块就是常量池：

Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#16         //  java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#17         //  SimpleClass.simpleField:I
   #3 = Class              #13            //  SimpleClass
   #4 = Class              #19            //  java/lang/Object
   #5 = Utf8               simpleField
   #6 = Utf8               I
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               SimpleClass
  #14 = Utf8               SourceFile
  #15 = Utf8               SimpleClass.java
  #16 = NameAndType        #7:#8          //  "<init>":()V
  #17 = NameAndType        #5:#6          //  simpleField:I
  #18 = Utf8               LSimpleClass;
  #19 = Utf8               java/lang/Object

常量字段（类常量）

带有final标记的常量字段在class文件里会被标记成ACC_FINAL.

public class SimpleClass {
    public final int simpleField = 100;
}

字段的描述信息会标记成ACC_FINAL:

public static final int simpleField = 100;
    Signature: I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL
    ConstantValue: int 100

对应的初始化代码并不变

静态变量

带有static修饰符的静态变量则会被标记成ACC_STATIC：

public static int simpleField;
    Signature: I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC

不过在实例的构造方法中却再也找不到对应的初始化代码了。

因为static变量会在类的构造方法中进行初始化，并且它用的是putstatic指令而不是putfiled。

static {};
  Signature: ()V
  flags: ACC_STATIC
  Code:
    stack=1, locals=0, args_size=0
       0: bipush         100
       2: putstatic      #2                  // Field simpleField:I
       5: return

条件语句

像if-else, switch这样的流程控制的条件语句，是通过用一条指令来进行两个值的比较，然后根据结果跳转到另一条字节码来实现的。

循环语句包括for循环，while循环，它们的实现方式也很类似，但有一点不同，它们通常都会包含一条goto指令，以便字节码实现循环执行。

do-while循环不需要goto指令，因为它的条件分支是在字节码的末尾。更多细节请参考循环语句一节。

有一些指令可以用来比较两个整型或者两个引用，然后执行某个分支，这些操作都能在单条指令里面完成。

而像double,float,long这些值需要两条指令。首先得去比较两个值，然后根据结果，会把1，0或者-1压到栈里。最后根据栈顶的值是大于，等于或者小于0来判断应该跳转到哪个分支。

我们先来介绍下if-else语句，然后再详细介绍下分支跳转用到的几种不同的指令。

if-else

下面的这个简单的例子是用来比较两个整数的：

public int greaterThen(int intOne, int intTwo) {
    if (intOne > intTwo) {
        return 0;
    } else {
        return 1;
    }
}

方法最后会编译成如下的字节码：

0: iload_1
1: iload_2
2: if_icmple     7
5: iconst_0
6: ireturn
7: iconst_1
8: ireturn

首先，通过iload_1, iload_2两条指令将两个入参压入操作数栈中。if_icmple会比较栈顶的两个值的大小。

如果intOne小于或者等于intTwo的话，会跳转到第7行处的字节码来执行。

可以看到这里和Java代码里的if语句的条件判断正好相反，这是因为在字节码里面，判断条件为真的话会跑到else分支里面去执行，而在Java代码里，判断为真会进入if块里面执行。

换言之，if_icmple判断的是如果if条件不为真，然后跳过if块。if代码块里对应的代码是5，6处的字节码，而else块对应的是7，8处的。

多次比较

下面的代码则稍微复杂了一点，它需要进行两次比较。

public int greaterThen(float floatOne, float floatTwo) {
    int result;
    if (floatOne > floatTwo) {
        result = 1;
    } else {
        result = 2;
    }
    return result;
}

编译后会是这样：

 0: fload_1
 1: fload_2
 2: fcmpl
 3: ifle          11
 6: iconst_1
 7: istore_3
 8: goto          13
11: iconst_2
12: istore_3
13: iload_3
14: ireturn

在这个例子中，首先两个参数会被fload_1和fload_2指令压入栈中。

和上面那个例子不同的是，这里需要比较两回。

fcmple先用来比较栈顶的floatOne和floatTwo，然后把比较的结果压入操作数栈中。

* floatOne > floatTwo –> 1
* floatOne = floatTwo –> 0
* floatOne < floatTwo –> -1
* floatOne or floatTwo = NaN –> 1

然后通过ifle进行判断，如果前面fcmpl的结果是< =0的话，则跳转到11行处的字节码去继续执行。

这个例子还有一个地方和前面不同的是，它只在方法末有一个return语句，因此在if代码块的最后，会有一个goto语句来跳过else块。

goto语句会跳转到第13条字节码处，然后通过iload_3将存储在局部变量区第三个位置的结果压入栈中，然后就可以通过return指令将结果返回了。

除了比较数值的指令外，还有比较引用是否相等的(==)，以及引用是否等于null的（== null或者!=null)，以及比较对象的类型的（instanceof)。

常见参数

• if_icmp<cond>

这组指令用来比较操作数栈顶的两个整数，然后跳转到新的位置去执行。

<cond> 可以是：eq-等于，ne-不等于，lt-小于,le-小于等于，gt-大于， ge-大于等于。

• if_acmp<cond>

这两个指令用来比较对象是否相等，然后根据操作数指定的位置进行跳转。

• ifnonnull ifnull

这两个指令用来判断对象是否为null，然后根据操作数指定的位置进行跳转。

• lcmp

这个指令用来比较栈顶的两个长整型，然后将结果值压入栈中： 如果value1>value2,压入1,如果value1==value2,压入0，如果 value1<value2 压入-1.

• fcmp<cond> l g dcomp<cond>

这组指令用来比较两个float或者double类型的值，然后然后将结果值压入栈中：如果value1>value2,压入1,如果value1==value2,压入0，

如果value1<value2压入-1. 指令可以以l或者g结尾，不同之处在于它们是如何处理NaN的。

fcmpg和dcmpg指令把整数1压入操作数栈，而fcmpl和dcmpl把-1压入操作数栈。

这确保了比较两个值的时候，如果其中一个不是数字（Not A Number, NaN)，比较的结果不会相等。

比如判断if x > y（x和y都是浮点数）,就会用的fcmpl，如果其中一个值是NaN的话，-1会被压入栈顶，下一条指令则是ifle，如果分支小于0则跳转。

因此如果有一个是NaN的话，ifle会跳过if块，不让它执行。

• instanceof

如果栈顶对象的类型是指定的类的话，则将1压入栈中。这个指令的操作数指定的是某个类型在常量池的序号。如果对象为空或者不是对应的类型，则将0压入操作数栈中。

• if<cond>

将栈顶值和0进行比较，如果条件为真，则跳转到指定的分支继续执行。这些指令通常用于较复杂的条件判断中，在一些单条指令无法完成的情况。比如验证方法调用的返回值。

switch语句

Java switch表达式的类型只能是char,byte,short,int,Character, Byte, Short,Integer,String或者enum。

JVM为了支持switch语句，用了两个特殊的指令，叫做tableSwitch和lookupswitch，它们都只能操作整型数值。

只能使用整型并不影响，因为char,byte,short和enum都可以提升成int类型。

Java7开始支持String类型，下面我们会介绍到。

tableswitch操作会比较快一些，不过它消耗的内存会更多。tableswitch会列出case分支里面最大值和最小值之间的所有值，如果判断的值不在这个范围内则直接跳转到default块执行，case中没有的值也会被列出，不过它们同样指向的是default块。

拿下面的这个switch语句作为例子：

public int simpleSwitch(int intOne) {
    switch (intOne) {
        case 0:
            return 3;
        case 1:
            return 2;
        case 4:
            return 1;
        default:
            return -1;
    }
}

编译后会生成如下的字节码

0: iload_1
 1: tableswitch   {
         default: 42
             min: 0
             max: 4
               0: 36
               1: 38
               2: 42
               3: 42
               4: 40
    }
36: iconst_3
37: ireturn
38: iconst_2
39: ireturn
40: iconst_1
41: ireturn
42: iconst_m1
43: ireturn

tableswitch指令里0，1，4的值和代码里的case语句一一对应，它们指向的是对应代码块的字节码。

tableswitch指令同样有2,3的值，但代码中并没有对应的case语句，它们指向的是default代码块。

当这条指令执行的时候，会判断操作数栈顶的值是否在最大值和最小值之间。

如果不在的话，直接跳去default分支，也就是上面的42行处的字节码。为了确保能找到default分支，它都是出现在tableswitch指令的第一个字节（如果需要内存对齐的话，则在补齐了之后的第一个字节）。

如果栈顶的值在最大最小值的范围内，则用它作为tableswtich内部的索引，定位到应该跳转的分支。比如1的话，就会跳转至38行处继续执行。

执行过程

下图会演示这条指令是如何执行的：

lookupswitch

如果case语句里面的值取值范围太广了（也就是太分散了）这个方法就不太好了，因为它占用的内存太多了。

因此当switch的case条件里面的值比较分散的时候，就会使用lookupswitch指令。

这个指令会列出case语句里的所有跳转的分支，但它没有列出所有可能的值。

当执行这条指令的时候，栈顶的值会和lookupswitch里的每个值进行比较，来确定要跳转的分支。

执行lookupswitch指令的时候，JVM会在列表中查找匹配的元素，这和tableswitch比起来要慢一些，因为tableswitch直接用索引就定位到正确的位置了。

当switch语句编译的时候，编译器必须去权衡内存的使用和性能的影响，来决定到底该使用哪条指令。下面的代码，编译器会生成lookupswitch语句

public int simpleSwitch(int intOne) {
    switch (intOne) {
        case 10:
            return 1;
        case 20:
            return 2;
        case 30:
            return 3;
        default:
            return -1;
    }
}

生成后的字节码如下：

0: iload_1
1: lookupswitch  {
         default: 42
           count: 3
              10: 36
              20: 38
              30: 40
}
36: iconst_1
37: ireturn
38: iconst_2
39: ireturn
40: iconst_3
41: ireturn
42: iconst_m1
43: ireturn

为了确保搜索算法的高效（得比线性查找要快），这里会提供列表的长度，同时匹配的元素也是排好序的。

下图演示了lookupswitch指令是如何执行的。

执行过程

参考资料

《深入理解 jvm》

• 字节码

Java字节码的介绍

从Java代码到字节码（1）

• Bytecode 字节码指令
• 变量
  • 局部变量
    • 指令执行时的内存布局
  • 字段
    • 参数详解
    • 内存执行过程
  • 常量字段（类常量）
  • 静态变量
• 条件语句
• if-else
  • 多次比较
  • 常见参数
• switch语句
  • 执行过程
  • lookupswitch
    • 执行过程
• 参考资料