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深入理解JVM

由 允我心安 提交于 2020-02-27 06:00:32

Java虚拟机的指令由一个字节长度的、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的参数（称为操作数，Operand）构成。因为只有一个字节的长度，所以指令总数不能超过256个。

在Java虚拟机的指令集中，大多数指令都包含其操作所对应的数据类型信息，如：i代表对int类型的数据操作，l代表long，s代表short，b代表byte，c代表char，f代表float，d代表double，a代表reference。

解释器的执行模型

Java虚拟机的解释器的执行模型：

do {
    自动计算PC寄存器的值加1;
    根据PC寄存器指示的位置，从字节码流中取出操作码;
    if (字节码存在操作数) 从字节码流中取出操作数;
    执行操作码所定义的操作;
} while (字节码流长度 > 0);

常量入栈指令

指令码 操作码（助记符） 操作数 描述（栈指操作数栈）
0x01 aconst_null 将 null推送至栈顶
0x02 iconst_m1 将 -1(int)推送至栈顶
0x03 iconst_0 将 0(int)推送至栈顶
0x04 iconst_1 将 1(int)推送至栈顶
0x05 iconst_2 将 2(int)推送至栈顶
0x06 iconst_3 将 3(int)推送至栈顶
0x07 iconst_4 将 4(int)推送至栈顶
0x08 iconst_5 将 5(int)推送至栈顶
0x09 lconst_0 将 0(long)推送至栈顶
0x0a lconst_1 将 1(long)推送至栈顶
0x0b fconst_0 将 0(float)推送至栈顶
0x0c fconst_1 将 1(float)推送至栈顶
0x0d fconst_2 将 2(float)推送至栈顶
0x0e dconst_0 将 0(double)推送至栈顶
0x0f dconst_1 将 1(double)推送至栈顶
0x10 bipush valuebyte 将一个byte值带符号扩展成int推送至栈顶
0x11 sipush valuebyte1<br/>valuebyte2 将一个short值带符号扩展成int推送至栈顶
0x12 ldc indexbyte1 将int、float或String型常量值从常量池中推送至栈顶
0x13 ldc_w indexbyte1<br/>indexbyte2 将int、float或String型常量值从常量池中推送至栈顶（宽索引）
0x14 ldc2_w indexbyte1<br/>indexbyte2 将long或double型常量值从常量池中推送至栈顶（宽索引）

局部变量值转载到栈中指令

指令码 操作码（助记符） 操作数 描述（栈指操作数栈）
0x15 iload indexbyte 从局部变量indexbyte中装载int类型值推送至栈顶
0x16 lload indexbyte 从局部变量indexbyte中装载long类型值推送至栈顶
0x17 fload indexbyte 从局部变量indexbyte中装载float类型值推送至栈顶
0x18 dload indexbyte 从局部变量indexbyte中装载double类型值推送至栈顶
0x19 aload indexbyte 从局部变量indexbyte中装载引用类型值推送至栈顶
0x1a iload_0 将第1个int型本地变量推送至栈顶
0x1b iload_1 将第2个int型本地变量推送至栈顶
0x1c iload_2 将第4个int型本地变量推送至栈顶
0x1d iload_3 将第4个int型本地变量推送至栈顶
0x1e lload_0 将第1个long型本地变量推送至栈顶
0x1f lload_1 将第2个long型本地变量推送至栈顶
0x20 lload_2 将第3个long型本地变量推送至栈顶
0x21 lload_3 将第4个long型本地变量推送至栈顶
0x22 fload_0 将第1个float型本地变量推送至栈顶
0x23 fload_1 将第2个float型本地变量推送至栈顶
0x24 fload_2 将第3个float型本地变量推送至栈顶
0x25 fload_3 将第4个float型本地变量推送至栈顶
0x26 dload_0 将第1个double型本地变量推送至栈顶
0x27 dload_1 将第2个double型本地变量推送至栈顶
0x28 dload_2 将第3个double型本地变量推送至栈顶
0x29 dload_3 将第4个double型本地变量推送至栈顶
0x2a aload_0 将第1个引用类型本地变量推送至栈顶
0x2b aload_1 将第2个引用类型本地变量推送至栈顶
0x2c aload_2 将第3个引用类型本地变量推送至栈顶
0x2d aload_3 将第4个引用类型本地变量推送至栈顶
0x2e iaload 将int类型数组的索引值推送至栈顶
0x2f laload 将long类型数组的索引值推送至栈顶
0x30 faload 将float类型数组的索引值推送至栈顶
0x31 daload 将double类型数组的索引值推送至栈顶
0x32 aaload 将引用类型数组的索引值推送至栈顶
0x33 baload 将boolean或byte类型数组的索引值推送至栈顶（先转换为int类型值，后压栈）
0x34 caload 将char类型数组的索引值推送至栈顶（先转换为int类型值，后压栈）
0x35 saload 将short类型数组的索引值推送至栈顶（先转换为int类型值，后压栈）

将栈顶值保存到局部变量中指令

指令码 操作码（助记符） 操作数 描述（栈指操作数栈）
0x36 (wide)istore indexbyte 将栈顶int类型值保存到局部变量indexbyte中
0x37 (wide)lstore indexbyte 将栈顶long类型值保存到局部变量indexbyte中
0x38 (wide)fstore indexbyte 将栈顶float类型值保存到局部变量indexbyte中
0x39 (wide)dstore indexbyte 将栈顶double类型值保存到局部变量indexbyte中
0x3a (wide)astore indexbyte 将栈顶引用类型值保存到局部变量indexbyte中
0x3b istore_0 将栈顶int类型值保存到局部变量0中
0x3c istore_1 将栈顶int类型值保存到局部变量1中
0x3d istore_2 将栈顶int类型值保存到局部变量2中
0x3e istore_3 将栈顶int类型值保存到局部变量3中
0x3f lstore_0 将栈顶long类型值保存到局部变量0中
0x40 lstore_1 将栈顶long类型值保存到局部变量1中
0x41 lstore_2 将栈顶long类型值保存到局部变量2中
0x42 lstroe_3 将栈顶long类型值保存到局部变量3中
0x43 fstore_0 将栈顶float类型值保存到局部变量0中
0x44 fstore_1 将栈顶float类型值保存到局部变量1中
0x45 fstore_2 将栈顶float类型值保存到局部变量2中
0x46 fstore_3 将栈顶float类型值保存到局部变量3中
0x47 dstore_0 将栈顶double类型值保存到局部变量0中
0x48 dstore_1 将栈顶double类型值保存到局部变量1中
0x49 dstore_2 将栈顶double类型值保存到局部变量2中
0x4a dstore_3 将栈顶double类型值保存到局部变量3中
0x4b astroe_0 将栈顶引用类型值保存到局部变量0中
0x4c astore_1 将栈顶引用类型值保存到局部变量1中
0x4d astore_2 将栈顶引用类型值保存到局部变量2中
0x4e astore_3 将栈顶引用类型值保存到局部变量3中
0x4f iastore 将栈顶int类型值保存到指定int类型数组的指定索引位
0x50 lastore 将栈顶long类型值保存到指定long类型数组的指定索引位
0x51 fastore 将栈顶float类型值保存到指定float类型数组的指定索引位
0x52 dastore 将栈顶double类型值保存到指定double类型数组的指定索引位
0x53 aastore 将栈顶引用类型值保存到指定引用类型数组的指定索引位
0x54 bastroe 将栈顶boolean类型值或byte类型值保存到指定boolean类型数组或byte类型数组的指定索引位
0x55 castore 将栈顶char类型值保存到指定char类型数组的指定索引位
0x56 sastore 将栈顶short类型值保存到指定short类型数组的指定索引位

通用（无类型）栈操作指令

指令码 操作码（助记符） 操作数 描述（栈指操作数栈）
0x00 nop 空操作
0x57 pop 从栈顶弹出一个字长的数据（不是long和double）
0x58 pop2 从栈顶弹出两个字长的数据（一个long或double，或者是两个单字节长度数值）
0x59 dup 复制栈顶一个字长的数据，将复制后的数据压入栈顶
0x5a dup_x1 复制栈顶一个字长的数据，弹出栈顶两个字长数据，先将复制后的数据压入栈顶，再将弹出的两个字长数据压入栈顶
0x5b dup_x2 复制栈顶一个字长的数据，弹出栈顶三个字长的数据，将复制后的数据压入栈顶，再将弹出的三个字长的数据压入栈顶
0x5c dup2 复制栈顶两个字长的数据，将复制后的两个字长的数据压入栈顶
0x5d dup2_x1 dup_x1 指令的双倍版
0x5e dup2_x2 dup_x2 指令的双倍版
0x5f swap 将栈最顶端的两个数值互换（数值不能是long或double）

整数和浮动点数运算

指令码 操作码（助记符） 操作数 描述（栈指操作数栈）
0x60 iadd 将栈顶两int类型数相加，并将结果压入栈顶
0x61 ladd 将栈顶两long类型数相加，并将结果压入栈顶
0x62 fadd 将栈顶两float类型数相加，并将结果压入栈顶
0x63 dadd 将栈顶两double类型数相加，并将结果压入栈顶
0x64 isub 将栈顶两int类型数相减，并将结果压入栈顶
0x65 lsub 将栈顶两long类型数相减，并将结果压入栈顶
0x66 fsub 将栈顶两float类型数相减，并将结果压入栈顶
0x67 dsub 将栈顶两double类型数相减，并将结果压入栈顶
0x68 imul 将栈顶两int类型数相乘，并将结果压入栈顶
0x69 lmul 将栈顶两long类型数相乘，并将结果压入栈顶
0x6a fmul 将栈顶两float类型数相乘，并将结果压入栈顶
0x6b dmul 将栈顶两double类型数相乘，并将结果压入栈顶
0x6c idiv 将栈顶两int类型数相除，并将结果压入栈顶
0x6d ldiv 将栈顶两long类型数相除，并将结果压入栈顶
0x6e fdiv 将栈顶两float类型数相除，并将结果压入栈顶
0x6f ddiv 将栈顶两double类型数相除，并将结果压入栈顶
0x70 irem 将栈顶两int类型数取模，并将结果压入栈顶
0x71 lrem 将栈顶两long类型数取模，并将结果压入栈顶
0x72 frem 将栈顶两float类型数取模，并将结果压入栈顶
0x73 drem 将栈顶两double类型数取模，并将结果压入栈顶
0x74 ineg 将栈顶int类型值取负，并将结果压入栈顶
0x75 lneg 将栈顶long类型值取负，并将结果压入栈顶
0x76 fneg 将栈顶float类型值取反，并将结果压入栈顶
0x77 dneg 将栈顶double类型值取负，并将结果压入栈顶
0x84 (wide)iinc indexbyte<br/>constbyte 将整数值constbyte加到indexbyte指定的int类型的局部变量中(i++,i--,i+=2;)

逻辑运算 - 移位运算

指令码 操作码（助记符） 操作数栈 描述（栈指操作数栈）
0x78 ishl ... , a , n (a << n) 左移int类型值，并将结果压入栈顶
0x79 lshl ... , a , n (a << n) 左移long类型值，并将结果压入栈顶
0x7a ishr ... , a , n (a >> n) 算术右移int类型值，并将结果压入栈顶
0x7b lshr ... , a , n (a >> n) 算术右移long类型值，并将结果压入栈顶
0x7c iushr ... , a , n (a >>> n) 逻辑右移int类型值，并将结果压入栈顶
0x7d lushr ... , a , n (a >>> n) 逻辑右移long类型值，并将结果压入栈顶

逻辑运算 - 位运算

指令码 操作码（助记符） 操作数栈 描述（栈指操作数栈）
0x7e iand ... , a , n (a & b) 对int类型按位与运算，并将结果压入栈顶
0x7f land ... , a , n (a & b) 对long类型的按位与运算，并将结果压入栈顶
0x80 ior ... , a , n (a | b) 对int类型的按位或运算，并将结果压入栈顶
0x81 lor ... , a , n (a | b) 对long类型的按位或运算，并将结果压入栈顶
0x82 ixor ... , a , n (a ^ b) 对int类型的按位异或运算，并将结果压入栈顶
0x83 lxor ... , a , n (a ^ b) 对long类型的按位异或运算，并将结果压入栈顶

类型转换指令

指令码 操作码（助记符） 操作数栈 描述（栈指操作数栈）
0x85 i2l ... , a (long) a, 将栈顶int类型值转换为long类型值，并将结果压入栈顶
0x86 i2f ... , a (float) a, 将栈顶int类型值转换为float类型值，并将结果压入栈顶
0x87 i2d ... , a (double) a, 将栈顶int类型值转换为double类型值，并将结果压入栈顶
0x88 l2i ... , a (int) a, 将栈顶long类型值转换为int类型值，并将结果压入栈顶
0x89 l2f ... , a (float) a, 将栈顶long类型值转换为float类型值，并将结果压入栈顶
0x8a l2d ... , a (double) a, 将栈顶long类型值转换double类型值，并将结果压入栈顶
0x8b f2i ... , a (int) a, 将栈顶float类型值转换为int类型值，并将结果压入栈顶
0x8c f2l ... , a (long) a, 将栈顶float类型值转换为long类型值，并将结果压入栈顶
0x8d f2d ... , a (double) a, 将栈顶float类型值转换为double类型值，并将结果压入栈顶
0x8e d2i ... , i (double) a, 将栈顶double类型值转换为int类型值，并将结果压入栈顶
0x8f d2l ... , a (long) a, 将栈顶double类型值转换为long类型值，并将结果压入栈顶
0x90 d2f ... , a (float) a, 将栈顶double类型值转换为float类型值，并将结果压入栈顶
0x91 i2b ... , a (byte) a, 将栈顶int类型值截断成byte类型，后带符号扩展成int类型值压入栈顶
0x92 i2c ... , a (char) a, 将栈顶int类型值截断成char类型值，后带符号扩展成int类型值压入栈顶
0x93 i2s ... , a (short) a, 将栈顶int类型值截断成short类型值，后带符号扩展成int类型值压入栈顶

控制流指令 - 比较指令

指令码 操作码（助记符） 操作数栈 描述（栈指操作数栈）
0x94 lcmp ... , a , b 比较栈顶两long类型值，前者大，1入栈；相等，0入栈；后者大，-1入栈 [a == b ? 0 : (a < b ? -1 : 1)]
0x95 fcmpl ... , a , b 比较栈顶两float类型值，前者大，1入栈；相等，0入栈；后者大，-1入栈；有NaN存在，-1入栈 [a == b ? 0 : (a < b ? -1 : 1)]
0x96 fcmpg ... , a , b 比较栈顶两float类型值，前者大，1入栈；相等，0入栈；后者大，-1入栈；有NaN存在，-1入栈 [a == b ? 0 : (a < b ? -1 : 1)]
0x97 dcmpl ... , a , b 比较栈顶两double类型值，前者大，1入栈；相等，0入栈；后者大，-1入栈；有NaN存在，-1入栈 [a == b ? 0 : (a < b ? -1 : 1)]
0x98 dcmpg ... , a , b 比较栈顶两double类型值，前者大，1入栈；相等，0入栈；后者大，-1入栈；有NaN存在，-1入栈 [a == b ? 0 : (a < b ? -1 : 1)]

控制流指令 - 条件跳转指令

指令码 操作码（助记符） 栈操作之前 栈操作之后 描述（栈指操作数栈）
0x99 ifeq ... , i ... 若栈顶int类型值为0则跳转 (jump if i == 0)
0x9a ifne ... , i ... 若栈顶int类型值不为0则跳转 (jump if i != 0)
0x9b iflt ... , i ... 若栈顶int类型值小于0则跳转 (jump if i < 0)
0x9c ifge ... , i ... 若栈顶int类型值大于等于0则跳转 (jump if i >= 0)
0x9d ifgt ... , i ... 若栈顶int类型值大于0则跳转 (jump if i > 0)
0x9e ifle ... , i ... 若栈顶int类型值小于等于0则跳转 (jump if i <= 0)
0x9f if_icmpeq ... , i , j ... 若栈顶两int类型值相等则跳转 (jump if i == j)
0xa0 if_icmpne ... , i , j ... 若栈顶两int类型值不相等则跳转 (jump if i != j)
0xa1 if_icmplt ... , i , j ... 若栈顶两int类型值前小于后则跳转 (jump if i < j)
0xa4 if_icmple ... , i , j ... 若栈顶两int类型值前小于等于后则跳转 (jump if i <= j)
0xa3 if_icmpgt ... , i , j ... 若栈顶两int类型值前大于后则跳转 (jump if i > j)
0xa2 if_icmpge ... , i , j ... 若栈顶两int类型值前大于等于后则跳转 (jump if i >= j)
0xa5 if_acmpeq ... , o , p ... 若栈顶两引用类型值相等则跳转 (jump if o == p)
0xa6 if_acmpne ... , o , p ... 若栈顶两引用类型值不相等则跳转 (jump if o != p)
0xc6 ifnull ... , o ... 若栈顶引用值为null则跳转 (jump if o == null)
0xc7 ifnonnull ... , o ... 若栈顶引用值不为null则跳转 (jump if o != null)

控制流指令 - 无条件跳转指令

指令码 操作码（助记符） 操作数 描述（栈指操作数栈）
0xa7 goto branchbyte1<br/>branchbyte2 无条件跳转到指定位置
0xc8 goto_w branchbyte1<br/>branchbyte2<br/>branchbyte3<br/>branchbyte4 无条件跳转到指定位置（宽索引）

控制流指令 - 表跳转指令

指令码 操作码（助记符） 操作数 描述（栈指操作数栈）
0xaa tableswitch <0 - 3bytepad><br/>defaultbyte1<br/>defaultbyte2<br/>defaultbyte3<br/>defaultbyte4<br/>lowbyte1<br/>lowbyte2<br/>lowbyte3<br/>lowbyte4<br/>highbyte1<br/>highbyte2<br/>highbyte3<br/>highbyte4<br/>jump offsets... 通过索引访问跳转表，并跳转<br/> jump always
0xab lookupswitch <0 - 3bytepad><br/>defaultbyte1<br/>defaultbyte2<br/>defaultbyte3<br/>defaultbyte4<br/>npairs1<br/>npairs2<br/>npairs3<br/>npairs4<br/>match offsets 通过键值访问跳转表，并跳转<br/> jump always

控制流指令 - 异常和finally

指令码 操作码（助记符） 操作数 描述（栈指操作数栈）
0xbf athrow 抛出异常
0xa8 jsr branchbyte1<br/>branchbyte2 跳转到子例程序
0xc9 jsr_w branchbyte1<br/>branchbyte2<br/>branchbyte3<br/>branchbyte4 跳转到子例程序（宽索引）
0xa9 (wide)ret indexbyte 返回子例程序

对象操作指令

指令码 操作码（助记符） 操作数 描述（栈指操作数栈）
0xbb new indexbyte1<br/>indexbyte2 创建新的对象实例，并将其引用压入栈顶
0xc0 checkcast indexbyte1<br/>indexbyte 类型强转，如果该检查未通过将会抛出ClassCastException异常
0xc1 instanceof indexbyte1<br/>indexbyte2 检查对象是否是指定的类的实例。如果是，1进栈；否则，0进栈
0xb2 getstatic indexbyte1<br/>indexbyte2 获取静态字段的值，并将其引用压入栈顶
0xb3 putstatic indexbyte1<br/>indexbyte2 给静态字段赋值
0xb4 getfield indexbyte1<br/>indexbyte2 获取对象字段的值，并将其引用压入栈顶
0xb5 putfield indexbyte1<br/>indexbyte2 给对象字段赋值

数组操作指令

指令码 操作码（助记符） 操作数 描述（栈指操作数栈）
0xbc newarray atype 创建type类型的数组
0xbd anewarray indexbyte1<br/>indexbyte2 创建引用类型的数组
0xbe arraylength 获取一维数组的长度
0xc5 multianewarray indexbyte1<br/>indexbyte2<br/>dimension 创建dimension维度的数组

方法调用指令

指令码 操作码（助记符） 操作数 描述（栈指操作数栈）
0xb7 invokespecial indexbyte1<br/>indexbyte2 编译时方法绑定调用方法
0xb6 invokevirtual indexbyte1<br/>indexbyte2 运行时方法绑定调用方法
0xb8 invokestatic indexbyte1<br/>indexbyte2 调用静态方法
0xb9 invokeinterface indexbyte1<br/>indexbyte2<br/>count<br/>0 调用接口方法

方法返回指令

指令码 操作码（助记符） 描述（栈指操作数栈）
0xac ireturn 返回int类型值
0xad lreturn 返回long类型值
0xae freturn 返回float类型值
0xaf dreturn 返回double类型值
0xb0 areturn 返回引用类型值
0xb1 return void函数返回

线程同步指令

指令码 操作码（助记符） 描述（栈指操作数栈）
0xc2 monitorenter 进入并获得对象监视器，获取对象锁，用于同步方法或者同步块
0xc3 monitorexit 释放并退出对象监视器，释放对象锁，用于同步方法或者同步块

wide指令

指令码 操作码（助记符） 描述（栈指操作数栈）
0xc4 wide 使用附加字节扩展局部变量的宽度（iinc指令特殊）

方法的执行示例

Java源码：

public int inc() {
    int x;
    try {
        x = 1;
        return x;
    } catch (Exception e) {
        x = 2;
        return x;
    } finally {
        x = 3;
    }
}

编译后的ByteCode字节码及异常表：

public int inc();
    Code:
        Stack=1, Locals=5, Args_size=1
        0:   iconst_1   // try块中的x=1
        1:   istore_1
        2:   iload_1    // 保存x到returnValue中，此时x=1
        3:   istore  4
        5:   iconst_3   // finaly块中的x=3
        6:   istore_1
        7:   iload   4  // 将returnValue中的值放到栈顶，准备给ireturn返回
        9:   ireturn
        10:  astore_2   // 给catch中定义的Exception e赋值，存储在变量槽 2中
        11:  iconst_2   // catch块中的x=2
        12:  istore_1
        13:  iload_1    // 保存x到returnValue中，此时x=2
        14:  istore  4
        16:  iconst_3   // finaly块中的x=3
        17:  istore_1
        18:  iload 4    // 将returnValue中的值放到栈顶，准备给ireturn返回
        20:  ireturn
        21:  astore_3   // 如果出现了不属于java.lang.Exception及其子类的异常才会走到这里
        22:  iconst_3   // finaly块中的x=3
        23:  istore_1
        24:  aload_3    // 将异常放置到栈顶，并抛出
        25:  athrow
    Exception table:
    from   to  target type
        0     5    10   Class java/lang/Exception
        0     5    21   any
        10    16   21   any

编译器为这段Java源码生成了三条异常表记录，对应三条可能出现的代码执行路径。从Java代码的语义上讲，这三条执行路径分别为：

  • 如果try语句块中出现属于Exception或其子类的异常，转到catch语句块处理；
  • 如果try语句块中出现不属于Exception或其子类的异常，转到finally语句块处理；
  • 如果catch语句块中出现任何异常，转到finally语句块处理。

参考

《深入理解JAVA虚拟机》

https://www.cnblogs.com/honger/p/6815198.html

标签
java
astore
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