看看 JVM 是怎樣消化字節碼指令的

作者：侯樹成 2020-04-21 12:09:47

不知道你有沒有覺得， JVM 也像我們人或者生物一樣，執行的過程一如咱們吃東西。只不過他吃的是 .class 文件，把其中認為有營養的常量池、字節碼指令等消化吸收，同時一邊把垃圾處理掉，在最后不用的時候，再把全部的垃圾unload。

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扯遠了，回到我們的正題。不知道你有沒有覺得， JVM 也像我們人或者生物一樣，執行的過程一如咱們吃東西。只不過他吃的是 .class 文件，把其中認為有營養的常量池、字節碼指令等消化吸收，同時一邊把垃圾處理掉，在最后不用的時候，再把全部的垃圾unload。

整個 .class 文件中，字節碼指令是很重要的一個部分，所有方法內的邏輯，都是通過這些指令來完成操作。

今天咱就一起來看看指令。

指令

我們前面說過，指令集(ISA)的實現，一般有兩種形式

基于寄存器實現
基于棧的實現

兩者各有優劣，但對于 JVM 來說，設計者在初期就已經明確了場景和目標，所以JVM實現的指令集是基于棧實現的，具有指令數量少，格式簡單，操作數少，易于理解和實現等等特點。

一般一個典型的指令集系統中，需要實現的操作分為以下幾類:

數據傳送
運算：包括算術運算、邏輯運算和移位運算等
流程控制：控制轉移、條件轉移、無條件轉移以及復合條件轉移
中斷、同步、圖形處理(硬件)等

用通俗的語言描述的話，JVM 這些指令，按革命分工不同，大概干的事兒有：

1.像搬運工一樣，來回在局部變量區和操作數棧這兩個地方來回挪動數據。比如從局部變量區加載到操作數棧，計算一下，再保存回局部變量區。

這類的命令又根據搬運方向的不同，分為從局部變量表到操作數棧的load指令：iload_n、lload_n、aload_n等，分別又對應到不同的操作數類型上，第一個字母基本都代表類型，i -> int, l -> long, a -> 引用。后面的n是數字。
以及分為從操作數棧到局部變量表的store指令：istore_n、lstore_n、astore_n等等，類型同上。
還有一些是從常量池直接加載到棧頂的，像ldc、bipush、iconst_i等。

2.像手藝人一樣，做些打磨加工的工作，把石頭做成雕塑類似的類型轉換。比如把int 轉成long，把double 轉成int這些，對應的JVM 指令是i2l和d2i 2前面是源類型，后面是目標類型。

3.新的生命的孕育，像對象的創建、數組的創建等，以及對類型的操作。創建一個新的類實例 new, 新建一個數組 newarray比如getstatic 是訪問類的static 域、getfield 獲取類的實例域判斷對象是否屬于特定類型的instanceof

4.像紅綠燈一樣，指導道路的通行方向，來控制程序流程。有條件的轉移：像咱們常用的 if (x == 1) 這種，到了字節碼的時候，就變成了if_icmpne還有像try-catch字節碼里常看到的 goto，做無條件的跳轉。還有一些復合條件的轉移，像tableswitch 來支持 switch 語法。而對于 switch 能支持 String ，則是通過編譯的時候，把 String 對應的 hashCode取出來，做為int 值來使用，通過 lookupswitch 來處理 case 不連續的情形。

5.像你我程序員一樣 :-)，在 PM 提過來需求之后，負責把它實現出來，在JVM里這些是運算指令的活兒。比如int 加法iadd, int 減法isub, 遞增iinc這些。

6.還有些函數的調用，執行的返回等等，對于靜態和非靜態方法，對應的指令稍有差別。像 invokevirtual是調用普通實例方法的，invokestatic 是調用類的靜態方法的。以及類的初始化方法init，是通過 invokespecial調用的。方法調用完，一般通過 return結束調用，返回 void，如果是返回類型數據，則是return，這里的T 和咱們前面說的各種代表數據類型的一樣，比如返回int類型的值，對應的指令是 ireturn。

7.異常的情況，通過 athrow指令，拋出去。異常的處理原理，可以參考上一篇文章：你寫下的try-catch-finally，在JVM看來不過是...

用來學習的工具

如果對這一部分感興趣，日常開發中，有幾個小工具可以使用。

1.像Java 自帶的javap 開箱即用。

2.一個圖形界面的工具jclasslib