LetsCoding.cn

歡迎來到“Under The Hood“第三期。前兩期我們分別介紹了JVM的基本結(jié)構(gòu)和功能和Java類文件的基本結(jié)構(gòu)，本期的主要內(nèi)容有：字節(jié)碼所操作的原始類型、類型轉(zhuǎn)換的字節(jié)碼，以及操作JVM棧的字節(jié)碼。

字節(jié)碼格式

字節(jié)碼是JVM的機器語言。JVM加載類文件時，對類中的每個方法，它都會得到一個字節(jié)碼流。這些字節(jié)碼流保存在JVM的方法區(qū)中。在程序運行過程中，當一個方法被調(diào)用時，它的字節(jié)碼流就會被執(zhí)行。根據(jù)特定JVM設(shè)計者的選擇，它們可以通過解釋的方式，即時編譯（Just-in-time compilation）的方式或其他技術(shù)的方式被執(zhí)行。

方法的字節(jié)碼流就是JVM的指令（instruction）序列。每條指令包含一個單字節(jié)的操作碼（opcode）和0個或多個操作數(shù)（operand）。操作碼指明要執(zhí)行的操作。如果JVM在執(zhí)行操作前，需要更多的信息，這些信息會以0個或多個操作數(shù)的方式，緊跟在操作碼的后面。

每種類型的操作碼都有一個助記符（mnemonic）。類似典型的匯編語言風格，Java字節(jié)碼流可以用它們的助記符和緊跟在后面的操作數(shù)來表示。例如，下面的字節(jié)碼流可以分解成多個助記符的形式。

字節(jié)碼指令集被設(shè)計的很緊湊。除了處理跳表的2條指令以外，所有的指令都以字節(jié)邊界對齊。操作碼的總數(shù)很少，一個字節(jié)就能搞定。這最小化了JVM加載前，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)念愇募拇笮。灰彩沟肑VM可以維持很小的實現(xiàn)。

JVM中，所有的計算都是圍繞棧（stack）而展開的。因為JVM沒有存儲任意數(shù)值的寄存器（register），所有的操作數(shù)在計算開始之前，都必須先壓入棧中。因此，字節(jié)碼指令主要是用來操作棧的。例如，在上面的字節(jié)碼序列中，通過iload_0先把本地變量（local variable）入棧，然后用iconst_2把數(shù)字2入棧的方式，來計算本地變量乘以2。兩個整數(shù)都入棧之后，imul指令有效的從棧中彈出它們，然后做乘法，最后把運算結(jié)果壓入棧中。istore_0指令把結(jié)果從棧頂彈出，保存回本地變量。JVM被設(shè)計成基于棧，而不是寄存器的機器，這使得它在如80486寄存器架構(gòu)不佳的處理器上，也能被高效的實現(xiàn)。

原始類型（primitive types）

JVM支持7種原始數(shù)據(jù)類型。Java程序員可以聲明和使用這些數(shù)據(jù)類型的變量，而Java字節(jié)碼，處理這些數(shù)據(jù)類型。下表列出了這7種原始數(shù)據(jù)類型：

原始數(shù)據(jù)類型以操作數(shù)的方式出現(xiàn)在字節(jié)碼流中。所有長度超過1字節(jié)的原始類型，都以大端（big-endian）的方式保存在字節(jié)碼流中，這意味著高位字節(jié)出現(xiàn)在低位字節(jié)之前。例如，為了把常量值256（0×0100）壓入棧中，你可以用sipush操作碼，后跟一個短操作數(shù)。短操作數(shù)會以“01 00”的方式出現(xiàn)在字節(jié)碼流中，因為JVM是大端的。如果JVM是小端（little-endian）的，短操作數(shù)將會是“00 01”。

把常量（constants）壓入棧中

很多操作碼都可以把常量壓入棧中。操作碼以3中不同的方式指定入棧的常量值：由操作碼隱式指明，作為操作數(shù)跟在操作碼之后，或者從常量池（constant pool）中獲取。

有些操作碼本身就指明了要入棧的數(shù)據(jù)類型和常量數(shù)值。例如，iconst_1告訴JVM把整數(shù)1壓入棧中。這種操作碼，是為不同類型而經(jīng)常入棧的數(shù)值而定義的。它們在字節(jié)碼流中只占用1個字節(jié)，增進了字節(jié)碼的執(zhí)行效率，并減小了字節(jié)碼流的大小。下表列出了int型和float型的操作碼：

下面列出的操作碼處理的int型和float型都是32位的值。Java棧單元（slot）是32位寬的，因此，每次一個int數(shù)和float數(shù)入棧，它都占用一個單元。下表列出的操作碼處理long型和double型。long型和double型的數(shù)值占用64位。每次一個long數(shù)或double數(shù)被壓入棧中，它都占用2個棧單元。下面的表格，列出了隱含處理long型和double型的操作碼

另外還有一個隱含入棧常量值的操作碼，aconst_null，它把空對象（null object）的引用（reference）壓入棧中。對象引用的格式取決于JVM實現(xiàn)。對象引用指向垃圾收集堆（garbage-collected heap）中的對象。空對象引用，意味著一個變量當前沒有指向任何合法對象。aconst_null操作碼用在給引用變量賦null值的時候。

有2個操作碼需要緊跟一個操作數(shù)來指明入棧的常量值。下表列出的操作碼，用來把合法的byte型和short型的常量值壓入棧中。byte型或short型的值在入棧之前，先被擴展成int型的值，因為棧單元是32位寬的。對byte型和short型的操作，實際上是基于它們擴展后的int型值的。

有3個操作碼把常量池中的常量值壓入棧中。所有和類關(guān)聯(lián)的常量，如final變量，都被保存在類的常量池中。把常量池中的常量壓入棧中的操作碼，都有一個操作數(shù)，它表示需要入棧的常量在常量池中的索引。JVM會根據(jù)索引查找常量，確定它的類型，并把它壓入棧中。

在字節(jié)碼流中，常量池索引（constant pool index）是一個緊跟在操作碼后的無符號值。操作碼lcd1和lcd2把32位的項壓入棧中，如int或float。兩者的區(qū)別在于lcd1只適用于1-255的常量池索引位，因為它的索引只有1個字節(jié)。（常量池0號位未被使用。）lcd2的索引有2個字節(jié)，所以它可以適用于常量池的任意位置。lcd2w也有一個2字節(jié)的索引，它被用來指示任意含有64位的long或double型數(shù)據(jù)的常量池位置。下表列出了把常量池中的常量壓入棧中的操作碼：

把局部變量（local variables）壓入棧中

局部變量保存在棧幀的一個特殊區(qū)域中。棧幀是當前執(zhí)行方法正在使用的棧區(qū)。每個棧幀包含3個部分：本地變量區(qū)，執(zhí)行環(huán)境和操作數(shù)棧區(qū)。把本地變量入棧實際上包含了把數(shù)值從棧幀的本地變量區(qū)移動到操作數(shù)棧區(qū)。操作數(shù)棧區(qū)總是在棧的頂部，所以，把一個值壓到當前棧幀的操作數(shù)棧區(qū)頂部，跟壓到整個JVM棧的頂部是一個意思。

Java棧是一個先進后出（LIFO）的32位寬的棧。所有的本地變量至少占用32位，因為棧中的每個單元都是32位寬的。像long和double類型的64位的本地變量會占用2個棧單元。byte和short型的本地變量會當做int型來存儲，但只擁有較小類型的合法值。例如，表示byte型的int型本地變量取值范圍總是-128到127。

每個本地變量都有一個唯一索引。方法棧幀的本地變量區(qū)，可以當成是一個擁有32位寬的元素的數(shù)組，每個元素都可以用數(shù)組索引來尋址。long和double型的占用2個單元的本地變量，且用低位元素的索引尋址。例如，對一個占用2單元和3單元的double數(shù)值，會用索引2來引用。

有一些操作碼可以把int和float型本地變量壓入操作數(shù)棧。部分操作碼，定義成隱含常用本地變量地址的引用。例如，iload_0加載處在位置0的int型本地變量。其他本地變量，通過操作碼后跟一個字節(jié)的本地變量索引的方式壓入棧中。iload指令就是這種操作碼類型的一個例子。iload后的一個字節(jié)被解釋成指向本地變量的8位無符號索引。

類似iload所用的8位無符號本地變量索引，限制了一個方法最多只能有256個本地變量。有一個單獨的wide指令可以把8位索引擴展為16位索引，則使得本地變量數(shù)的上限提高到64k個。操作碼wide只有1個操作數(shù)。wide和它的操作數(shù)，出現(xiàn)在像iload之類的有一個8位無符號本地變量索引的指令之前。JVM會把wide的操作數(shù)和iload的操作數(shù)合并為一個16位的無符號本地變量索引。

下表列出了把int和float型本地變量壓入棧中的操作碼：

接下來的這張表，列出了把long和double型本地變量壓入棧中的指令。這些指令把64位的數(shù)從棧幀的本地變量去移動到操作數(shù)區(qū)。

最后一組操作碼，把32位的對象引用從棧幀的本地變量區(qū)移動到操作數(shù)區(qū)。如下表：

彈出到本地變量

每一個將局部變量壓入棧中的操作碼，都有一個對應的負責彈出棧頂元素到本地變量中的操作碼。這些操作碼的名字可以通過替換入棧操作碼名中的“load”為“store”得到。下表列出了將int和float型數(shù)值彈出操作數(shù)棧到本地變量中的操作碼。這些操作碼將一個32位的值從棧頂移動到本地變量中。

下一張表中，展示了負責將long和double類型數(shù)值出棧并存到局部變量的字節(jié)碼指令，這些指令將64位的值從操作數(shù)棧頂移動到本地變量中。

最后一組操作碼，負責將32位的對象引用從操作數(shù)棧頂移動到本地變量中。

類型轉(zhuǎn)換

JVM中有一些操作碼用來將一種基本類型的數(shù)值轉(zhuǎn)換成另外一種。字節(jié)碼流中的轉(zhuǎn)換操作碼后面不跟操作數(shù)，被轉(zhuǎn)換的值取自棧頂。JVM彈出棧頂?shù)闹担D(zhuǎn)換后再將結(jié)果壓入棧中。下表列出了在int，long，float和double間轉(zhuǎn)換的操作碼。這四種類型組合的每一個可能的轉(zhuǎn)換，都有一個對應的操作碼。

下表列出了將int型轉(zhuǎn)換為更小類型的操作碼。不存在直接將long，float，double型轉(zhuǎn)換為比int型小的類型的操作碼。因此，像float到byte這樣的轉(zhuǎn)換，需要兩步。第一步，f2i將float轉(zhuǎn)換為int，第二步，int2byte操作碼將int轉(zhuǎn)換為byte。

雖然存在將int轉(zhuǎn)換為更小類型（byte，short，char）的操作碼，但是不存在反向轉(zhuǎn)換的操作碼。這是因為byte，short和char型的數(shù)值在入棧之前會轉(zhuǎn)換成int型。byte，short和char型數(shù)值的算術(shù)運算，首先要將這些類型的值轉(zhuǎn)為int，然后執(zhí)行算術(shù)運算，最后得到int型結(jié)果。也就是說，如果兩個byte型的數(shù)相加，會得到一個int型的結(jié)果，如果你想要byte型的結(jié)果，你必須顯式地將int類型的結(jié)果轉(zhuǎn)換為byte類型的值。例如，下面的代碼編譯出錯：

javac會對上面的代碼給出如下錯誤：

Java程序員必須顯式的把a + b的結(jié)果轉(zhuǎn)換為byte，這樣才能通過編譯。

這樣，javac會很高興的生成GoodArithmetic.class文件，它包含如下的addOneAndOne()方法的字節(jié)碼序列：

本文譯自：Bytecode basics