JVM 指令简析

术语约定

首先，需要就 术语 进行一些基础性的约定:

变量

变量: 在类中，区分于 方法 的声明
成员变量: 作用域为整个类，在方法体与语句块之外声明的内容。在 字节码 中通常被称为 字段(Field) 类成员变量 / 静态成员变量: 被 static 修饰的 成员变量。一个类只有一份，在类被加载的时候即初始化。 实例成员变量: 非 static 修饰的 成员变量。随着类被实例化而进行初始化，每个实例对象都有一份特有的 实例变量。 局部变量: 作用域为方法体或者语句块。

JVM 指令

通常，我们借助于 javap 命令来对 .class 文件的字节码内容进行查阅。

类似于汇编代码，javap 打印的JVM 指令将以下列格式进行展示:

  [ [ ...]] []

其中
- 指在 code[] 属性中这条指令的偏移量(从 0 开始计数)。
- 指 操作码
- 指 操作数，每个 都需要确定数量的操作数(规范中已经确定)。
- 指注释

指令集概览

首先，Java 代码经编译后的所有指令都基于 方法(Method) 被定义在 Code 属性中。

在 ClassFile 的 Code 属性，结构定义如下:

Code_attribute {
 // 其中 u1, u2, u4 分别表示这个变量所占的字节长度
 u2 attribute_name_index;  // 属性名在常量池中的 index (执行常量池中 Code 的位置)
 u4 attribute_length;// 属性长度，不包括开始的六个字节
 u2 max_stack; // 运行时操作数栈的最大深度
 u2 max_locals;// 运行时所需的局部变量表的大小
 u4 code_length;  // code 数组的长度
 u1 code[code_length];  // code 数组，编译后方法体的内容都通过字节码指令存储在这里
 u2 exception_table_length;// 异常表的长度
 {u2 start_pc;
  u2 end_pc;
  u2 handler_pc;
  u2 catch_type;
 } exception_table[exception_table_length]; // 异常表，Java 代码中所有的 catch, finally 的捕获都将由此表进行实现
 u2 attributes_count;  // 属性计数
 attribute_info attributes[attributes_count];
}

Java 虚拟机的指令是由一个字节长度的 操作码 配合上其后的 0 个或多个 操作数 所构成的。

其中，操作数 的数量取决于 操作码，不同的 操作码 需要不同数量的 操作数。

按照类型划分，操作数 主要包括下列几类:

加载与存储指令，例如 iload, istore 等 运算指令，例如 iadd, isub, imul 等 类型转换指令，例如 i2b, i2s 等 对象创建与操作指令，例如 new, newarray 等 操作数栈管理指令，例如 dup, pop 等 控制转移指令，例如 if_icmpeq 等 方法调用与返回指令，例如 invokevirtual, invokestatic 等 抛出异常指令，例如 athrow 等 同步指令，例如 monitorenter 等

举几个简单的例子:

iadd 指令，表示对两个 int 数的相加指令。将从操作数栈顶依次取出两个数，并相加，再重新压入操作数栈中。

bipush 100 ，其中 bipush 是指令，后随一个操作数，表示把 操作数 100 这个 byte 类型的数 压入操作数栈顶

运行时数据区

JVM 定义了若干种运行期间会使用到的运行时数据区，见下图:

至于每一个的具体意义，在此不做详细展开，可用参考:

由周志明等翻译的 《Java 虚拟机规范(Java SE 7版) 》 2.5节内容 链接 JVMS 2.5. Run-Time Data Areas

Getter, Setter 的指令代码

首先，有必要提及，想要得到 .class 可视且友好的展示结果，可以使用 JDK 自带的 javap 命令。

本节要展示的内容是常见的 POJO 的 get, set 方法的指令代码。使用的示例代码如下:

public class Test {

 private int number;

 public int getNumber() {
  return number;
 }

 public void setNumber(int number) {
  this.number = number;
 }
}

在经过 javac 编译，javap 解析之后，我们将看到下列内容

Classfile /Users/fangfeng/WorkPkg/lab/src/main/java/me/fangfeng/asm/Test.class
  Last modified Jul 23, 2018; size 357 bytes
  MD5 checksum bb1940cc6534d789359295b8dc80233b
  Compiled from "Test.java"
public class me.fangfeng.asm.Test
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #4.#17// java/lang/Object."":()V
#2 = Fieldref  #3.#18// me/fangfeng/asm/Test.number:I
#3 = Class  #19// me/fangfeng/asm/Test
#4 = Class  #20// java/lang/Object
#5 = Utf8number
#6 = Utf8I
#7 = Utf8
#8 = Utf8()V
#9 = Utf8Code
  #10 = Utf8LineNumberTable
  #11 = Utf8getNumber
  #12 = Utf8()I
  #13 = Utf8setNumber
  #14 = Utf8(I)V
  #15 = Utf8SourceFile
  #16 = Utf8Test.java
  #17 = NameAndType  #7:#8 // "":()V
  #18 = NameAndType  #5:#6 // number:I
  #19 = Utf8me/fangfeng/asm/Test
  #20 = Utf8java/lang/Object
{
  public me.fangfeng.asm.Test();
 descriptor: ()V
 flags: ACC_PUBLIC
 Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1// Method java/lang/Object."":()V
4: return
LineNumberTable:
  line 3: 0

  public int getNumber();
 descriptor: ()I
 flags: ACC_PUBLIC
 Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield#2// Field number:I
4: ireturn
LineNumberTable:
  line 8: 0

  public void setNumber(int);
 descriptor: (I)V
 flags: ACC_PUBLIC
 Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: aload_0
1: iload_1
2: putfield#2// Field number:I
5: return
LineNumberTable:
  line 12: 0
  line 13: 5
}
SourceFile: "Test.java"

打印出来的内容包括有 类的全限定名，访问控制权限，父类，接口，常量池以及各个方法。

以 getNumber 为例:

public int getNumber();
  descriptor: ()I
  flags: ACC_PUBLIC
  Code:
 stack=1, locals=1, args_size=1
 0: aload_0
 1: getfield#2// Field number:I
 4: ireturn
 LineNumberTable:
line 8: 0

descriptor: 表示方法描述符，其中 () 内容表示入参，I 表示返回值的类型 flags : 表示方法的访问权限，当前限定为 public Code: 存储有当前方法体指令码的一种方法内部属性。
stack : 表示当前方法(意即在运行时所处的栈帧，每个方法的调用都将在 虚拟机栈 中构建一个新的 栈帧) 使用的 操作数栈的最大深度 locals: 表示当前方法使用的 局部变量表 的大小 args_size : 表示变量个数 LineNumberTable : 与 Debug 有关，指当前的的指令集在源文件中的第几行开始

0: aload_0  // 从局部变量表中加载 0 号元素到操作数栈中
1: getfield #2 // 获取常量池中 2 号元素(即 Field number:I) 的值，并加载到操作数栈中
4: ireturn  // 抛出当前操作数栈顶元素作为返回值

其中，每条指令前的 0, 1, 4 指当前指令作为 Code 属性的内容的偏移量。

换一句话说，aload_0 是 Code 属性 code[] 的第 0 个字节的内容
getfield #2 的是从 code[] 的第 1 个字节开始的。
ireturn 是从 code[] 的第 4 个字节开始。

至于为什么每条指令的开始位置不同，这取决于每条指令的长度。aload_0 指令本身为 1 字节的长度，且不要求附带操作数。
getfield 指令自长 1 个字节，但需要一个长度为 2 字节的常量池索引。因此 ireturn 将从第 4 字节开始

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同时，可能有人会有所疑问，aload_0 加载的 0 号元素是什么？它貌似没有被用到？

首先，在每个方法被触发，在构建新的栈帧时，this 将自动作为 0 号元素被存入新栈帧的局部变量表作为 0 号元素。
同时，如果方法有入参，则入参按入参声明顺序依次作为 1, 2, 3, … 元素存入。
(当然，这里存在特殊情况，诸如 long, double 这样长为 8 字节的元素，将占用 2 个局部变量表的数组下标，而其他元素顺延)。

至于看似 0 号元素 this 并没有被用到。事实上，它是作为 getfield 的一个限定被使用的。
试想，getfield 虽然通过 #2 能够知道需要获取到的变量名为 number 类型为 I(即 int) 的元素。但是，这个元素究竟属于哪个实例？
而操作数栈顶的 this 恰恰是指明，需要使用当前方法所在的类的 number 变量。

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类似的，我们看一下 setNumber 方法

0: aload_0  // 从局部变量表中加载 0 号元素到操作数栈中 (用于确定字段所属的类)
1: iload_1  // 从局部变量表中加载 1 号元素到操作数栈中 (用于确定将要给字段赋的值)
2: putfield#2  // 获取常量池中 2 号元素(即 Field number:I) 的地址，并赋值
5: return// 无返回值的 return 指令来结束当前栈帧的执行

给变量赋初始值

经常会见到在方法体内部有类似这样的声明 int score = 100 ，那么这样的内容翻译成指令会是如何？

对于较小的值，例如 100，将通过 bipush 100, istore_1(假设用局部变量表 1 号元素存储 score 变量 类似的形式进行赋值。
类似的，还是 sipush ，两者的区别是 bipush 可以支持 1 字节大小的整数，sipush 支持 2 字节大小的整数。

但是，int 最大可是可以到达 4 字节，更甚者，long 将达到 8 字节。

这时候，将要借助的就是 ldc # 用来读取常量池编号小于 128 的常量(例如整数常量，浮点常量等等)
那么，超出 128 编号的？使用 ldc_w # 读取 2 字节内容作为编号，最大 65535。当然，更大的内容，常量池都不能支持了哈。

同时，区别于将 byte, short, int, float 统一作为 4 字节结果读取，对于 long, double 这样的八字节元素，使用 ldc2_w

控制结构

作为一门图灵完备的语言，至少，控制结构是必不可少的元素。

那么，类似 for(int i=0;i<10;i++) 的 Java 代码编译成指令到底是什么样的呢？

0: iconst_0// 赋值指令，往操作数栈顶添加整数值 0
1: istore_1// 将操作数栈顶的元素存入局部变量表 1 号位置
2: iload_1 // 从局部变量表 1 号位置加载元素到操作数栈
3: bipush  10 // 往操作数栈顶压入 byte 型值 10
5: if_icmpge  21 // 将操作数栈顶的两个元素进行比较, 如果 次顶部元素 >= 顶部元素，则重定向到偏移量为 21 的指令
//  for (...) {} 语句块的内容
15: iinc 1, 1 // 将局部变量表的 1 号位置元素 +1
18: goto 2 // 跳转到偏移量为 2 的指令
21: return // 调用无返回值的 return

类似的，if(...) 语句的比较较之 for(;;) 就更为简单。类比偏移量为 5 的指令即可。

调用方法

JVM 指令集中总计有 4 种调用方法的指令，包括有:

invokevirtual, 对普通实例方法的调用，将根据对象类型进行分发调用 invokestatic, 对静态方法的调用 invokespecial, 用于调用类的初始化方法，也用于调用父类方法和私有方法 invokeinterface, 用于调用接口方法

以执行 System.out.println() 为例
假设常量池内容存在目标元素(具体以相应注释为准)

getstatic  #3// Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
invokevirtual #4// Method java/io/PrintStream.println:()V