虛擬機(jī)是一個(gè)相對(duì)于物理機(jī)的概念，這兩種機(jī)器都有代碼執(zhí)行能力，其區(qū)別在于物理機(jī)的執(zhí)行引擎是直接建立在 CPU 處理器、指令集、操作系統(tǒng)和硬件層面上的。

而虛擬機(jī)的執(zhí)行引擎則由自己實(shí)現(xiàn)，因此可以制定自己的指令集和執(zhí)行引擎的結(jié)構(gòu)體系，而且還可以執(zhí)行一些不被硬件直接支持的指令集格式。這就是虛擬機(jī)相對(duì)于物理機(jī)的優(yōu)勢(shì)所在。

但是缺點(diǎn)也比較明顯，由于多了一層虛擬指令，執(zhí)行虛擬機(jī)指令后還要轉(zhuǎn)化為本地機(jī)器碼，所以在執(zhí)行效率上，虛擬機(jī)是不如物理機(jī)的。

Java 虛擬機(jī)的字節(jié)碼指令由一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的操作碼（Opcode）以及緊隨其后的零至多個(gè)操作數(shù)（Operands）構(gòu)成。

如果忽略異常處理，那么 Java 虛擬機(jī)的解釋器通過下面這個(gè)偽代碼的循環(huán)即可有效工作：

do{自動(dòng)計(jì)算pc寄存器以及從pc寄存器的位置取出操作碼;if(存在操作數(shù)){取出操作數(shù);}執(zhí)行操作碼所定義的操作; } while(處理下一次循環(huán));

由于字節(jié)碼指令集限制了其操作碼長(zhǎng)度為 1 個(gè)字節(jié)（0 ~ 255），即意味著整個(gè)指令集中包含的指令總數(shù)不超過 256 條。

在虛擬機(jī)處理超過 1 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)在運(yùn)行時(shí)重新構(gòu)建出具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

例如：如果要將一個(gè) 16 位無符號(hào)的整數(shù)使用兩個(gè)無符號(hào)字節(jié)存儲(chǔ)起來（命名為 byte1 和 byte2），那么這個(gè) 16 位無符號(hào)數(shù)的值應(yīng)該這樣表示：

(byte1 << 8) | byte2

這種操作在某種程度上會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行字節(jié)碼時(shí)損失一些性能。但這樣做的優(yōu)勢(shì)也非常明顯，放棄了操作數(shù)長(zhǎng)度對(duì)齊，就意味著可以節(jié)省很多填充和間隔符號(hào)；用一個(gè)字節(jié)來代表操作碼，也是為了盡可能獲得短小精干的編譯代碼。

這種追求盡可能小數(shù)據(jù)量、高傳輸效率 的設(shè)計(jì)是由 Java 語言設(shè)計(jì)之初面向網(wǎng)絡(luò)、智能家電的技術(shù)背景所決定的并沿用至今。

字節(jié)碼與數(shù)據(jù)類型

在講字節(jié)碼指令之前，我們需要了解下，字節(jié)碼指令操作的操作數(shù)是什么類型的，這些 Java 虛擬機(jī)中的數(shù)值類型又和 Java 編程語言中的 8 大基本數(shù)據(jù)類型如何對(duì)應(yīng)的？

Java 語言中的 8 大基本數(shù)據(jù)類型：

• 整型：byte、short、int、long
• 浮點(diǎn)型：double、float
• 字符型：char
• 布爾型：boolean

Java 程序語言中定義了 8 大基本數(shù)據(jù)類型，但是在 Java 虛擬機(jī)中只分為兩大類：

• 原始類型（primitive type）
• 引用類型（reference type）

原始類型對(duì)應(yīng)的數(shù)值稱為原始值、引用類型的數(shù)值稱為引用值。

原始類型

原始類型包括如下類型。

• 數(shù)值類型

數(shù)值類型包括：byte、short、int、long、char、float、double。

• boolean 類型

boolean 類型的值有兩種：true 和 false，默認(rèn)為 false，雖然在 Java 虛擬機(jī)中定義了 boolean 這種類型，但是卻沒有指令直接支持其操作。

所以，對(duì) boolean 類型都需要在編譯后用虛擬機(jī)中的 int 類型來表示 —— 1 表示 true、0 表示 false。

• returnAddress 類型

returnAddress 類型表示一個(gè)指向某個(gè)操作碼 opcode 的指針，此操作碼與虛擬機(jī)指令相對(duì)應(yīng)。

引用類型

引用類型包括如下類型。

• 類類型（class type）
• 數(shù)組類型（array type）
• 接口類型（interface type）

這三種引用類型的值分別指向動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的類實(shí)例、數(shù)組實(shí)例和實(shí)現(xiàn)了某個(gè)接口的類/數(shù)組實(shí)例。

在引用類型中還有一個(gè)特殊的值 null，當(dāng)一個(gè)引用不指向任何對(duì)象時(shí)，它就用 null 表示， null 作為引用類型的初始默認(rèn)值可以轉(zhuǎn)型成任意的引用類型。

加載與存儲(chǔ)指令

加載和存儲(chǔ)指令用于將數(shù)據(jù)在棧幀中的局部變量表和操作數(shù)棧之間來回傳輸，這類指令包括如下內(nèi)容。

• 將一個(gè)局部變量加載到操作數(shù)棧

iload、iload_<n>、lload,load<n>、fload,fload_<n>、dload,dload_<n>、aload,aload_<n>

• 將一個(gè)數(shù)值從操作數(shù)棧存儲(chǔ)到局部變量表

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

• 將一個(gè)常量加載到操作數(shù)棧

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

• 擴(kuò)充局部變量表的訪問索引：wide

上面所列舉的指令助記符中，有一部分是以 _<n> 尾的，這些指令助記符實(shí)際上是代表了一組指令。

如：iload_<n> 代表了 iload_0、iload_1、iload_2 和 iload_3這幾條指令，此時(shí)操作數(shù)隱藏于指令之中。

iload_0 表示從當(dāng)前棧幀局部變量表中 0 號(hào)位置取 int 類型的數(shù)值加載到操作數(shù)棧 iload_1 表示從當(dāng)前棧幀局部變量表中 1 號(hào)位置取 int 類型的數(shù)值加載到操作數(shù)棧 ...

運(yùn)算指令

算術(shù)指令用于對(duì)兩個(gè)操作數(shù)棧上的值進(jìn)行某種特定運(yùn)算，并把結(jié)構(gòu)重新壓入操作數(shù)棧。

大體上算術(shù)指令可以分為兩種：對(duì)整型數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的指令和對(duì)浮點(diǎn)類型數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的指令。

在每一大類中，都有針對(duì) Java 虛擬機(jī)具體數(shù)據(jù)類型的專用算術(shù)指令。但沒有直接支持 byte、short、char 和 boolean 類型的算術(shù)指令，對(duì)于這些數(shù)據(jù)的運(yùn)算，都是用 int 類型指令來處理。

所有算術(shù)指令包括：

• 加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd
• 減法指令：isub、lsub、fsub、dsub
• 乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul
• 除法指令：idiv、ldiv、fdiv、ddiv
• 求余指令：irem、lrem、frem、drem
• 求負(fù)值指令：ineg、lneg、fneg、dneg
• 移位指令：ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr
• 按位或指令：ior、lor
• 按位與指令：iand、land
• 按位異或指令：ixor、lxor
• 局部變量自增指令：iinc
• 比較指令：dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp

類型轉(zhuǎn)換指令

類型轉(zhuǎn)換指令可以在兩種 Java 虛擬機(jī)數(shù)值類型之間相互轉(zhuǎn)換。這些轉(zhuǎn)換操作一般用于實(shí)現(xiàn)用戶代碼中的顯式類型轉(zhuǎn)換操作，或者用來解決 Java 虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的不完備問題。

Java 虛擬機(jī)直接支持以下數(shù)值的寬化類型轉(zhuǎn)換（widening numeric conversion，小范圍類型向大范圍類型的安全轉(zhuǎn)換）：

• 從 int 類型到 long、float 或者 double 類型
• 從 long 類型到 float、double 類型
• 從 float 類型到 double 類型

寬化類型轉(zhuǎn)換指令包括：i2l、i2f、i2d、l2f、l2d 和 f2d。

Java 虛擬機(jī)也支持以下窄化類型轉(zhuǎn)換：

• 從 int 類型到 byte、short 或者 char 類型
• 從 long 類型到 int 類型
• 從 float 類型到 int 或者 long 類型
• 從 double 類型到 int、long 或者 float 類型

窄化類型轉(zhuǎn)換（narrowing numeric conversion）指令包括：i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l、d2f。

對(duì)象創(chuàng)建與訪問指令

在 Java 中類實(shí)例和數(shù)組都是對(duì)象，但是 Java 虛擬機(jī)對(duì)類 class 對(duì)象和數(shù)組對(duì)象的創(chuàng)建使用了不同的字節(jié)碼指令。

• 創(chuàng)建類實(shí)例的指令：new
• 創(chuàng)建數(shù)組的指令：newarray、anewarray、multianewarray
• 訪問類變量（static 字段）的指令：getstatic、putstatic
• 訪問實(shí)例變量的指令：getfield、putfield
• 將一個(gè)數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧的指令：baload、caload、saload、iaload、laload、faload、daload、aaload
• 將一個(gè)操作數(shù)棧的值存到數(shù)組元素中的指令：bastore、castore、sastore、iastor、fastore、dastore、aastore
• 取數(shù)組長(zhǎng)度的指令：arraylength
• 檢查類實(shí)例類型的指令：instanceof、checkcast

操作數(shù)棧管理指令

Java 虛擬機(jī)提供了一些用于直接操控操作數(shù)棧的指令，包括：pop、pop2、dup、dup2、dup_x1、dup_x2、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2 和 swap。

控制轉(zhuǎn)移指令

控制轉(zhuǎn)移指令可以讓 Java 虛擬機(jī)有條件或無條件地從指定指令而不是控制轉(zhuǎn)移指令的下一條指令繼續(xù)執(zhí)行程序。

控制指令包括：

• 條件分支

ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、jfnull、ifnonnull、ificmpeq、ificmpne、ificmplt、ificmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq、if_acmpne

• 符合條件分支

tableswitch、lookupswitch

• 無條件分支

goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret

方法調(diào)用與返回指令

以下 5 條指令用于方法調(diào)用：

• invokevirtual

用于調(diào)用對(duì)象的實(shí)例方法，根據(jù)對(duì)象的實(shí)際類型進(jìn)行分派（虛方法分派），這也是 Java 語言中最常見的方法分派方式。

• invokeinterface

用于調(diào)用接口方法，它會(huì)在運(yùn)行時(shí)搜索一個(gè)實(shí)現(xiàn)了此接口的對(duì)象，找出合適的方法進(jìn)行調(diào)用。

• invokestatic

用于調(diào)用類方法（static 方法）。

• invokedynamic

指令用于在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)解析出調(diào)用點(diǎn)限定符所引用的方法，并執(zhí)行該方法，前面的 4 條調(diào)用指令的分派邏輯都固話在 Java 虛擬機(jī)內(nèi)部，而 invokedynamic 指令的分派邏輯則是由用戶所設(shè)定的引導(dǎo)方法所決定的。

異常處理指令

在 Java 程序中顯示拋出異常的操作（throw 語句）都由 athrow 指令來實(shí)現(xiàn)，除了用 throw 語句顯示拋出的異常以外，Java 虛擬機(jī)規(guī)范還規(guī)定了許多會(huì)在 Java 虛擬機(jī)檢查到異常狀況時(shí)自動(dòng)拋出的運(yùn)行時(shí)異常。

如：在整數(shù)運(yùn)算中，當(dāng)除數(shù)為 0 時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)在 idiv 或 ldiv 指令中拋出 ArithmeticException 異常。

此處需要注意的是，在 Java 虛擬機(jī)中處理異常（catch 語句）不是由字節(jié)碼指令實(shí)現(xiàn)的，而是采用異常處理器（異常表）來完成的。

同步指令

Java 虛擬機(jī)可以支持方法級(jí)的同步和方法內(nèi)部一段指令序列的同步，兩種同步都是使用管程（Monitor）來支持的。

• 方法級(jí)的同步

方法級(jí)的同步時(shí)隱式的，即無需通過字節(jié)碼指令控制，它實(shí)現(xiàn)在方法調(diào)用和返回操作之中。虛擬機(jī)可以從方法常量池的方法表中 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標(biāo)志得知此方法是否聲明為同步方法。

當(dāng)方法調(diào)用時(shí)，如果此方法為同步方法，則執(zhí)行線程就要去先成功持有管程，然后才能執(zhí)行方法，方法（無論是否正常完成）完成后釋放管程。

如果這個(gè)同步方法執(zhí)行期間拋出異常，并且方法內(nèi)部無法處理，那么此方法持有的管程將在異常拋出去后自動(dòng)釋放。

• 指令序列級(jí)的同步

同步一段指令序列通常是由 Java 中的 synchronized 語句塊來表示的，Java 虛擬機(jī)指令集中有 monitorenter 和 monitorexit 兩條指令來支持 synchronized 關(guān)鍵字。

附錄

• 虛擬機(jī)字節(jié)碼指令表

參考資料

• 《深入理解 Java 虛擬機(jī)》
• 《Java 虛擬機(jī)規(guī)范 SE 8 版》

我的 GitHub

github.com/jeanboydev

我的公眾號(hào)

歡迎關(guān)注我的公眾號(hào)，分享各種技術(shù)干貨，各種學(xué)習(xí)資料，職業(yè)發(fā)展和行業(yè)動(dòng)態(tài)。

技術(shù)交流群

歡迎加入技術(shù)交流群，來一起交流學(xué)習(xí)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的字节码指令的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。