☕【JVM原理探索】class字节码指令操作介绍(上)

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前提概要

Java虚拟机的指令由一个字节长度、代表着某种特定操作含义的数字(称为操作码, Opcode)以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数(称为操作数,Operands)而构 成。

指令介绍

由于限制了Java虚拟机操作码的长度为一个字节(即 0~255),这意味着指令集的操作码总数不可能超过256条。

大多数的指令都包含了其操作所对应的数据类型信息,例如

  • iload 指令用于从局部变量表中加载int型的数据到操作数栈中

  • fload 指令加载的则是float 类型的数据。

  • 大部分的指令都没有支持整数类型 byte、char 和 short,甚至没有任何指令支持 boolean类型。

  • 大多数对于 boolean、byte、short 和 char 类型数据的操作,实际上都是使用相应的 int 类型作为运算类型

加载和存储指令

用于将数据在栈帧中的局部变量表和操作数栈之间来回传输,这类指令包括如下内容。

将一个局部变量加载到操作栈

iload、iload_<n>、
lload、lload_<n>、
fload、fload_<n>、
dload、dload_<n>、
aload、aload_<n>。

将一个数值从操作数栈存储到局部变量表

istore、istore_<n>、
lstore、lstore_<n>、
fstore、fstore_<n>、
dstore、dstore_<n>、
astore、astore_<n>。

将一个常量加载到操作数栈

bipush、sipush、
ldc、ldc_w、ldc2_w、
aconst_null、
iconst_m1、iconst_<i>、lconst_<l>、
fconst_<f>、dconst_<d>。

扩充局部变量表的访问索引的指令

wide

运算或算术指令

用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算,并把结果重新存入到操作栈顶

加法指令:iadd、ladd、fadd、dadd。
减法指令:isub、lsub、fsub、dsub。
乘法指令:imul、lmul、fmul、dmul 等等

类型转换指令

可以将两种不同的数值类型进行相互转换,Java 虚拟机直接支持以下数值类型的宽化类型转换 (即小范围类型向大范围类型的安全转换):

  • int 类型到 long、float 或者 double 类型。
  • long 类型到 float、double 类型。
  • float 类型到 double 类型。

处理窄化类型转换(Narrowing Numeric Conversions)时,必须显式地使用转换指令来完 成,这些转换指令包括:

i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l 和 d2f。

创建类实例的指令:

new。

创建数组的指令:

newarray、anewarray、multianewarray。

访问字段指令:

getfield、putfield、getstatic、putstatic。

数组存取相关指令

把一个数组元素加载到操作数栈的指令:

baload、caload、
saload、iaload、
laload、faload、
daload、aaload。

将一个操作数栈的值存储到数组元素中的指令:

bastore、castore、sastore、iastore、
fastore、dastore、aastore。

取数组长度的指令:

arraylength。

检查类实例类型的指令:

instanceof、checkcast。

操作数栈管理指令

如同操作一个普通数据结构中的堆栈那样,Java 虚拟机提供了一些用于直接操作操作数栈 的指令,包括:

将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈

pop、pop2。

复制栈顶一个或两个数值并将复制值或双份的复制值重新压入栈顶:

dup、dup2、dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2。

将栈最顶端的两个数值互换:

swap

控制转移指令

控制转移指令可以让 Java 虚拟机有条件或无条件地从指定的位置指令而不是控制转移指 令的下一条指令继续执行程序,从概念模型上理解,可以认为控制转移指令就是在有条件 或无条件地修改 PC 寄存器的值。控制转移指令如下。

条件分支:

ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、
if_icmplt、if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq 和 if_acmpne。

复合条件分支:

tableswitch、lookupswitch。

无条件分支:

goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret。

方法调用指令

  • invokevirtual 指令用于调用对象的实例方法,根据对象的实际类型进行分派(虚方法分 派),这也是 Java 语言中最常见的方法分派方式。

  • invokeinterface 指令用于调用接口方法,它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对 象,找出适合的方法进行调用。

  • invokespecial 指令用于调用一些需要特殊处理的实例方法,包括实例初始化方法、私有方法和父类方法。

  • invokestatic 指令用于调用类方法(static 方法)。

  • invokedynamic 指令用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法,并执行该方法,前面 4 条调用指令的分派逻辑都固化在 Java 虚拟机内部,而 invokedynamic 指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。

方法调用指令与数据类型无关。

方法返回指令

是根据返回值的类型区分的,包括

ireturn(当返回值是 booleanbytecharshortint
类型时使用)、
lreturn、freturn、dreturn 和 areturn,

另外还有一条 return 指令供声明为void 的方法、
实例初始化方法以及类和接口的类初始化方法使用。

异常处理指令

在 Java 程序中显式抛出异常的操作(throw 语句)都由 athrow 指令来实现

Synchronized指令

有 monitorenter 和 monitorexit 两条指令来支持 synchronized 关键字的语义