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第七节:字节码指令详解

大家好,我是二哥呀。字节码指令是 JVM 体系中比较难啃的一块硬骨头,我估计有些球友会有这样的疑惑,“这么难啃,我还能学会啊?”

讲良心话,不是我谦虚,一开始学 Java 字节码和 Java 虚拟机方面的知识我也头大!但硬着头皮学了一阵子之后,突然就开窍了,觉得好有意思,尤其是明白了 Java 代码在底层竟然是这样执行的时候,感觉既膨胀又飘飘然,浑身上下散发着自信的光芒!

来吧,跟着二哥一起来学习吧,别畏难。前面我们已经讲过了,JVM 是基于栈结构的字节码指令集,那今天我们就来继续来学习,什么是字节码指令。

Java 的字节码指令由操作码和操作数组成:

  • 操作码(Opcode):一个字节长度(0-255,意味着指令集的操作码总数不可能超过 256 条),代表着某种特定的操作含义。
  • 操作数(Operands):零个或者多个,紧跟在操作码之后,代表此操作需要的参数。

由于 Java 虚拟机是基于栈而不是寄存器的结构,所以大多数字节码指令都只有一个操作码。比如 aload_0 就只有操作码没有操作数,而 invokespecial #1 则由操作码和操作数组成。

  • aload_0:将局部变量表中下标为 0 的数据压入操作数栈中
  • invokespecial #1:调用成员方法或者构造方法,并传递常量池中下标为 1 的常量

字节码指令主要有以下几种,分别是:

  • 加载与存储指令
  • 算术指令
  • 类型转换指令
  • 对象的创建与访问指令
  • 方法调用和返回指令
  • 操作数栈管理指令
  • 控制转移指令

我们来一一说明下。

加载与存储指令

加载(load)和存储(store)指令是使用最频繁的指令,用于将数据从栈帧的局部变量表和操作数栈之间来回传递。

看下面这段代码。

public int add(int a, int b) {
    int result = a + b;
    return result;
}

使用 javap 查看字节码指令(大致)如下:

public int add(int, int);
    Code:
       0: iload_1
       1: iload_2
       2: iadd
       3: istore_3
       4: ireturn

我用下面一幅图来给大家说明白字节码指令的执行过程:

然后我们再来分析 load 和 store 指令的具体含义。

1)将局部变量表中的变量压入操作数栈中

  • xload_<n>(x 为 i、l、f、d、a,n 默认为 0 到 3),表示将第 n 个局部变量压入操作数栈中。
  • xload(x 为 i、l、f、d、a),通过指定参数的形式,将局部变量压入操作数栈中,当使用这个指令时,表示局部变量的数量可能超过了 4 个

解释一下。

x 为操作码助记符,表明是哪一种数据类型。见下表所示。

像 arraylength 指令,就没有操作码助记符,它没有代表数据类型的特殊字符,但操作数只能是一个数组类型的对象。

大部分的指令都不支持 byte、short 和 char,甚至没有任何指令支持 boolean 类型。编译器会将 byte 和 short 类型的数据带符号扩展(Sign-Extend)为 int 类型,将 boolean 和 char 零位扩展(Zero-Extend)为 int 类型。

举例来说。

private void load(int age, String name, long birthday, boolean sex) {
    System.out.println(age + name + birthday + sex);
}

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