作為 Java程序員都知道 Java是跨平臺的語言，編譯一次到處運行，這得益于 JVM字節碼，這篇文章，我們將一起分析什么是JVM字節碼？如何查看 JVM字節碼？JVM字節碼是如何工作的？

什么 JVM 字節碼?

Java 源代碼經過編譯器編譯后，就會生成 JVM 字節碼，它是一種基于棧的低級、中立于平臺的指令架構，每個字節碼指令都會在 JVM 上執行一系列的操作，如加載、存儲、運算、跳轉等。它使用基于操作數棧和局部變量表的執行模型。

JVM 字節碼具有以下特點：

• 獨立于具體的硬件和操作系統，不同平臺上的 JVM 可以解釋和執行相同的字節碼文件。
• 相對于機器碼和源代碼，JVM 字節碼是一種更高級別的抽象，并且比機器碼更容易閱讀和編寫。
• JVM 字節碼通過運行時的即時編譯器或解釋器執行。

因此，只要在不同平臺上安裝相應的 JVM，就能在這些平臺上運行相同的字節碼，這種特性為 Java 程序提供了很高的可移植性和兼容性。值得注意的是，其他編程語言也可以編譯成 JVM 字節碼，利用 JVM 的優勢。這些編程語言叫做基于 JVM 的語言，例如 Kotlin、Groovy 等。

如何查看 JVM 字節碼？

通過 javap -c ClassName指令就可以查看 JVM字節碼，為了更好的說明，下面通過一個簡單的 Java程序和對應的 JVM字節碼示例來進行演示：

1.示例代碼

如下代碼，在控制臺輸出“Hello, World”：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

使用 javac 命令編譯上述 Java 源代碼后會生成一個 HelloWorld.class 文件，然后使用javap -c HelloWorld命令查看字節碼，內容如下：

Compiled from "HelloWorld.java"
public class HelloWorld {
  public HelloWorld();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1      // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: getstatic     #2     // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #3     // String Hello, World!
       5: invokevirtual #4     // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return
}

2.字節碼解釋

(1) 構造方法 HelloWorld()

• aload_0: 加載局部變量表中第一個變量（即this引用）。
• invokespecial #1: 調用父類（java/lang/Object）的構造方法。
• return: 從構造方法返回。

(2) main方法

• getstatic #2: 獲取靜態字段java/lang/System.out，它是一個 PrintStream 對象。
• ldc #3: 將常量池中索引為3的項（即字符串"Hello, World!"）加載到操作數棧。
• invokevirtual #4: 調用 PrintStream 的 println 方法，參數是棧頂的字符串。
• return: 從main方法返回。

(3) 關鍵字節碼指令解析

• aload_0: 加載局部變量表中索引為 0的引用類型變量到操作數棧。
• invokespecial: 調用實例初始化方法和私有方法。
• getstatic: 獲取靜態字段的值并將其壓入操作數棧。
• ldc: 將常量池中的常量加載到操作數棧。
• invokevirtual: 調用對象的實例方法，方法的選擇是基于對象的運行時類型。

通過這個示例，我們可以看到 Java源代碼被編譯成 JVM 字節碼后是什么樣子。

JVM字節碼指令集

通過上述查看 JVM字節碼的示例，我們可以看到很多 JVM內部的指令，比如加載、存儲、運算、跳轉等。JVM字節碼指令集（Bytecode Instruction Set）是 JVM用來執行 Java 程序的指令集合，每條字節碼指令由一個字節的操作碼（opcode）和可選的操作數組成。

以下是 JVM 字節碼指令集的一些主要類別和具體指令：

1.加載和存儲指令

加載和存儲指令，全稱 Load and Store Instructions，包含以下幾個指令：

• aload: 從局部變量表加載引用類型變量到操作數棧。
• astore: 將操作數棧頂的引用類型變量存儲到局部變量表。
• iload: 從局部變量表加載整數類型變量到操作數棧。
• istore: 將操作數棧頂的整數類型變量存儲到局部變量表。
• dload, fload, lload: 加載雙精度浮點數、單精度浮點數和長整數類型變量。
• dstore, fstore, lstore: 存儲雙精度浮點數、單精度浮點數和長整數類型變量。

2.算術運算指令

算術運算指令，全稱 Arithmetic Instructions，包含以下幾個指令：

• iadd: 對棧頂的兩個整數進行加法運算。
• isub: 對棧頂的兩個整數進行減法運算。
• imul: 對棧頂的兩個整數進行乘法運算。
• idiv: 對棧頂的兩個整數進行除法運算。
• iinc: 對局部變量表中的整數變量進行自增。
• dadd, fadd, ladd: 加法運算（雙精度浮點數、單精度浮點數、長整數）。
• dsub, fsub, lsub: 減法運算（雙精度浮點數、單精度浮點數、長整數）。

3.類型轉換指令

類型轉換指令，全稱 Type Conversion Instructions，包含以下幾個指令：

• i2d: 整數轉雙精度浮點數。
• i2f: 整數轉單精度浮點數。
• i2l: 整數轉長整數。
• d2i, f2i, l2i: 轉換為整數。

4.對象操作指令

對象操作指令，全稱 Object Manipulation Instructions，包含以下幾個指令：

• new: 創建一個新的對象實例。
• newarray: 創建一個新的數組。
• anewarray: 創建一個新的引用類型數組。
• checkcast: 檢查對象是否為某一類型的實例。
• instanceof: 判斷對象是否是某一類型的實例。

5.方法調用和返回指令

方法調用和返回指令，全稱 Method Invocation and Return Instructions，包含以下幾個指令：

• invokestatic: 調用靜態方法。
• invokevirtual: 調用實例方法，根據對象的實際類型進行分派。
• invokespecial: 調用實例初始化方法、私有方法和父類方法。
• invokeinterface: 調用接口方法。
• return: 從方法返回（無返回值）。
• ireturn, dreturn, freturn, lreturn, areturn: 從方法返回（返回值為整數、雙精度浮點數、單精度浮點數、長整數、引用類型）。

6.控制流指令

控制流指令，全稱 Control Flow Instructions，包含以下幾個指令：

• goto: 無條件跳轉。
• ifeq: 如果棧頂整數為0，則跳轉。
• ifne: 如果棧頂整數不為0，則跳轉。
• iflt, ifge, ifgt, ifle: 比較棧頂整數，并根據結果跳轉。
• tableswitch: 用于switch語句的多路分支跳轉。
• lookupswitch: 用于switch語句的查找表跳轉。

7.異常處理指令

異常處理指令，全稱 Exception Handling Instructions，包含以下幾個指令：

• athrow: 拋出異常或錯誤。
• try-catch塊：通過異常表實現，不是具體的字節碼指令。

8.同步指令

同步指令，全稱 Synchronization Instructions，包含以下幾個指令：

• monitorenter: 獲取對象的監視器鎖。
• monitorexit: 釋放對象的監視器鎖。

9.棧操作指令

棧操作指令，全稱 Stack Operations Instructions，包含以下幾個指令：

• pop: 彈出棧頂的一個元素。
• dup: 復制棧頂的一個元素。
• swap: 交換棧頂的兩個元素。

JVM 如何執行字節碼？

JVM 字節碼的執行過程主要依賴于 Java 虛擬機的解釋器和即時編譯器（Just-In-Time Compiler，簡稱JIT）。JVM會將字節碼讀取到內存中，并逐條解釋執行，或者將熱點代碼編譯為機器碼來提高執行效率。

為了更好地說明 JVM 字節碼的執行過程，我們還是通過一個具體的示例來進行說明。

1.示例代碼

這里以 a + b 求和為例，代碼如下：

public class Sum {
    public static int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

使用 javap -c Sum 命令獲取字節碼，具體信息如下：

Compiled from "Sum.java"
public class Sum {
  public Sum();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1     // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static int add(int, int);
    Code:
       0: iload_0
       1: iload_1
       2: iadd
       3: ireturn
}

2.字節碼解釋

(1) 構造方法 Sum()

• aload_0: 加載局部變量表中第一個變量（即this引用）。
• invokespecial #1: 調用父類（java/lang/Object）的構造方法。
• return: 從構造方法返回。

(2) add()方法

• iload_0: 加載局部變量表中索引為0的整數（即參數a）到操作數棧。
• iload_1: 加載局部變量表中索引為1的整數（即參數b）到操作數棧。
• iadd: 彈出操作數棧頂的兩個整數，進行加法運算，并將結果壓入操作數棧。
• ireturn: 從方法返回，并將操作數棧頂的整數作為返回值。

3.執行過程

假設我們在另一個類中調用Sum.add(2, 3)，執行過程如下：

• JVM將參數 2和 3壓入局部變量表，iload_0指令將參數 2加載到操作數棧。
• iload_1指令將參數 3加載到操作數棧。
• iadd指令彈出操作數棧頂的兩個值（2和3），進行加法運算，將結果5壓入操作數棧。
• ireturn指令將操作數棧頂的值（5）作為返回值返回給調用者。

總結

本文，我們分析了什么是JVM字節碼，如何查看JVM字節碼以及JVM如何執行字節碼，掌握這些底層不但可以幫助我們更好的理解，為什么 Java可以編譯一次，到處運行，還可以幫助我們更好的了解 Java的運行機制以及理解 Java的編程精髓。