[深入理解Java虚拟机]第六章 字节码指令简介

Java虚拟机的指令由一个字节长度的、代表着某种特定操作含义的数字(称为操作码 ,Opcode ) 以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数(称为操作数,Operands )而构成。由于Java虚拟机采用面向操作数栈而不是寄存器的架构(这两种架构的区别和影响将在第8章中探讨),所以大多数的指令都不包含操作数,只有一个操作码。

字节码指令集是一种具有鲜明特点、优劣势都很突出的指令集架构,由于限制了Java虚拟机操作码的长度为一个字节(即0〜255) ,这意味着指令集的操作码总数不可能超过256条;又由于Class文件格式放弃了编译后代码的操作数长度对齐,这就意味着虚拟机处理那些超过一个字节数据的时候,不得不在运行时从字节中重建出具体数据的结构,如果要将一个16位长度的无符号整数使用两个无符号字节存储起来(将它们命名为byte1和byte2) ,那它们的值应该是这样的:

(byte1<<8)|byte2

这种操作在某种程度上会导致解释执行字节码时损失一些性能。但这样做的优势也非常明显,放弃了操作数长度对齐,就意味着可以省略很多填充和间隔符号;用一个字节来代表操作码,也是为了尽可能获得短小精干的编译代码。这种追求尽可能小数据量、高传输效率的设计是由Java语言设计之初面向网络、智能家电的技术背景所决定的,并一直沿用至今。

如果不考虑异常处理的话,那么Java虚拟机的解释器可以使用下面这个伪代码当做最基本的执行模型来理解,这个执行模型虽然很简单,但依然可以有效地工作:

字节码与数据类型

在Java虚拟机的指令集中,大多数的指令都包含了其操作所对应的数据类型信息。例如, iload指令用于从局部变量表中加载int型的数据到操作数栈中,而fload指令加载的则是 float类型的数据。这两条指令的操作在虚拟机内部可能会是由同一段代码来实现的,但在 Class文件中它们必须拥有各自独立的操作码。

对于大部分与数据类型相关的字节码指令,它们的操作码助记符中都有特殊的字符来表明专门为哪种数据类型服务:i代表对int类型的数据操作,l代表long,s代表short,b代表byte,c代表char,f代表float,d代表double,a代表reference。也有一些指令的助记符中没有明确地指明操作类型的字母,如arraylength指令,它没有代表数据类型的特殊字符,但操作数永远只能是一个数组类型的对象。还有另外一些指令,如无条件跳转指令goto则是与数据类型无关的。

由于Java虚拟机的操作码长度只有一个字节,所以包含了数据类型的操作码就为指令集的设计带来了很大的压力:如果每一种与数据类型相关的指令都支持Java虚拟机所有运行时数据类型的话,那指令的数量恐怕就会超出一个字节所能表示的数量范围了。因此, Java虚拟机的指令集对于特定的操作只提供了有限的类型相关指令去支持它,换句话说,指令集将会故意被设计成非完全独立的(Java虚拟机规范中把这种特性称为“Not Orthogonal”,即并非每种数据类型和每一种操作都有对应的指令)。有一些单独的指令可以在必要的时候用来将一些不支持的类型转换为可被支持的类型。

表6-31列举了Java虚拟机所支持的与数据类型相关的字节码指令,通过使用数据类型列所代表的特殊字符替换opcode列的指令模板中的T , 就可以得到一个具体的字节码指令。如果在表中指令模板与数据类型两列共同确定的格为空,则说明虚拟机不支持对这种数据类型执行这项操作。例如,load指令有操作int类型的iload,但是没有操作byte类型的同类指令。

注意,从表6-31中可以看出,大部分的指令都没有支持整数类型byte、char和short,甚至没有任何指令支持boolean类型。编译器会在编译期或运行期将byte和short类型的数据带符号扩展(Sign-Extend)为相应的int类型数据,将boolean和char类型数据零位扩展(Zero-Extend)为相应的int类型数据。与之类似,在处理boolean、byte、short和char类型的数组时, 也会转换为使用对应的int类型的字节码指令来处理。因此 ,大多数对于boolean、byte、 short 和char类型数据的操作,实际上都是使用相应的int类型作为运算类型( Computational Type ) 。

在本章中,受篇幅所限,无法对字节码指令集中每条指令进行逐一讲解,但阅读字节码作为了解Java虚拟机的基础技能,是一项应当熟练掌握的能力。笔者将字节码操作按用途大致分为9类 ,按照分类来为读者概略介绍一下这些指令的用法。如果读者需要了解更详细的信息,可以参考阅读笔者翻译的《Java虚拟机规范( Java SE 7版 )》的第6章。

字节码指令流基本上都是单字节对齐的,只有“tableswitch”和“lookupswitch”两条指令例外 ,由于它们的操作数比较特殊,是以4字节为界划分开的,所以这两条指令也需要预留出相应的空位进行填充来实现对齐。

加载和存储指令

加载和存储指令用于将数据在栈帧中的局部变量表和操作数栈(见第2章关于内存区域的介绍)之间来回传输,这类指令包括如下内容。

• 将一个局部变量加载到操作栈:iload、iload_<n>、lload、lload_<n>、fload、fload_<n>、dload、dload_<n>、aload、aload_<n> 。
• 将一个数值从操作数栈存储到局部变量表 :istore、istore_<n>、lstore、lstore_<n>、fstore、fstore_ <n> 、dstore、dstore_<n> 、astore、astore_ <n> 。
• 将一个常量加载到操作数栈:bipush、sipush、ldc、 ldc_w、ldc2_w、 aconst_null、iconst_ml、iconst_、lconst_<l>、fconst_<f>、dconst_<d>。
• 扩充局部变量表的访问索引的指令 : wide。

存储数据的操作数栈和局部变量表主要就是由加载和存储指令进行操作,除此之外,还有少量指令,如访问对象的字段或数组元素的指令也会向操作数栈传输数据。

上面所列举的指令助记符中,有一部分是以尖括号结尾的(例如iload_<n> ),这些指令助记符实际上是代表了一组指令(例如iload_<n> , 它代表了iload_0、iload_1、iload_2和 iload_3这几条指令)。这几组指令都是某个带有一个操作数的通用指令(例如iload) 的特殊形式 ,对于这若干组特殊指令来说,它们省略掉了显式的操作数,不需要进行取操作数的动作 ,实际上操作数就隐含在指令中。除了这点之外,它们的语义与原生的通用指令完全一致(例如iload_0的语义与操作数为0时的iload指令语义完全一致)。这种指令表示方法在本书以及《Java虚拟机规范》中都是通用的。

运算指令

运算或算术指令用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算,并把结果重新存入到操作栈顶。大体上算术指令可以分为两种:对整型数据进行运算的指令与对浮点型数据进行运算的指令,无论是哪种算术指令,都使用Java虚拟机的数据类型,由于没有直接支持byte、 short、char和boolean类型的算术指令,对于这类数据的运算,应使用操作int类型的指令代替。整数与浮点数的算术指令在溢出和被零除的时候也有各自不同的行为表现,所有的算术指令如下。

• 加法指令:iadd、ladd、fadd、dadd。
• 减法指令: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。
• 取反指令 : ineg、lneg、fneg、dneg。
• 位移指令:ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr。
• 按位或指令:ior、lor。
• 按位与指令:iand、land。
• 按位异或指令:ixor、lxor。
• 局部变量自增指令:iinc。
• 比较指令:dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp。

Java虚拟机规范要求虚拟机实现在处理浮点数时,必须严格遵循IEEE 754规范中所规定的行为和限制。也就是说,Java虚拟机必须完全支持IEEE 754中定义的非正规浮点数值 ( Denormalized Floating-Point Numbers ) 和逐级下溢( Gradual Underflow ) 的运算规则。这些特征将会使某些数值算法处理起来变得相对容易一些。

Java虚拟机要求在进行浮点数运算时,所有的运算结果都必须舍入到适当的精度,非精确的结果必须被舍入为可被表示的最接近的精确值,如果有两种可表示的形式与该值一样接近,将优先选择最低有效位为零的。这种舍入模式也是IEEE 754规范中的默认舍入模式,称为向最接近数舍入模式。

在把浮点数转换为整数时,Java虚拟机使用正EE 754标准中的向零舍入模式,这种模式的舍入结果会导致数字被截断,所有小数部分的有效字节都会被丢弃掉。向零舍入模式将在目标数值类型中选择一个最接近但是不大于原值的数字来作为最精确的舍入结果。

另外 ,Java虚拟机在处理浮点数运算时,不会拋出任何运行时异常(这里所讲的是Java 语言中的异常,请读者勿与正EE 754规范中的浮点异常互相混淆, IEEE 754的浮点异常是一种运算信号),当一个操作产生溢出时,将会使用有符号的无穷大来表示,如果某个操作结果没有明确的数学定义的话,将会使用NaN值来表示。所有使用NaN值作为操作数的算术操作 ,结果都会返回NaN。

在对long类型数值进行比较时,虚拟机采用带符号的比较方式,而对浮点数值进行比较时 (dcmpg、dcmpl、fcmpg、 fcmpl ) ,虚拟机会采用IEEE 754规范所定义的无信号比较( Nonsignaling Comparisons ) 方式。

类型转换指令

类型转换指令可以将两种不同的数值类型进行相互转换,这些转换操作一般用于实现用户代码中的显式类型转换操作,或者用来处理本节开篇所提到的字节码指令集中数据类型相关指令无法与数据类型一一对应的问题。

Java 虚拟机直接支持(即转换时无需显式的转换指令)以下数值类型的宽化类型转换 ( WideningNumeric Conversions , 即小范围类型向大范围类型的安全转换):

• int类型到long、float或者double类型。
• long类型到float、double类型。
• float类型到double类型。

相对的,处理窄化类型转换( Narrowing Numeric Conversions ) 时 ,必须显式地使用转换指令来完成,这些转换指令包括:i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l和d2f。窄化类型转换可能会导致转换结果产生不同的正负号、不同的数量级的情况,转换过程很可能会导致数值的精度丢失。

在将int或long类型窄化转换为整数类型T的时候,转换过程仅仅是简单地丢弃除最低位N个字节以外的内容,N是类型T的数据类型长度,这将可能导致转换结果与输入值有不同的正负号。这点很容易理解,因为原来符号位处于数值的最高位,高位被丢弃之后,转换结果的符号就取决于低N个字节的首位了。

在将一个浮点值窄化转换为整数类型T ( T限于int或long类型之一 ) 的时候,将遵循以下转换规则:

• 如果浮点值是NaN ,那转换结果就是int或long类型的0。
• 如果浮点值不是无穷大的话,浮点值使用IEEE 754的向零舍入模式取整,获得整数值v , 如果v在目标类型T ( int或long ) 的表示范围之内,那转换结果就是v。
• 否则,将根据v的符号,转换为T所能表示的最大或者最小正数。

从double类型到float类型的窄化转换过程与IEEE 754中定义的一致 ,通过IEEE 754向最接近数舍入模式舍入得到一个可以使用float类型表示的数字。如果转换结果的绝对值太小而无法使用float来表示的话,将返回float类型的正负零。如果转换结果的绝对值太大而无法使用float来表示的话,将返回float类型的正负无穷大,对于double类型的NaN值将按规定转换为float类型的NaN值。

尽管数据类型窄化转换可能会发生上限溢出、下限溢出和精度丢失等情况,但是Java虚拟机规范中明确规定数值类型的窄化转换指令永远不可能导致虚拟机拋出运行时异常。

对象创建与访问指令

虽然类实例和数组都是对象,但Java虚拟机对类实例和数组的创建与操作使用了不同的字节码指令(在第7章会讲到数组和普通类的类型创建过程是不同的)。对象创建后,就可以通过对象访问指令获取对象实例或者数组实例中的字段或者数组元素,这些指令如下。

• 创建类实例的指令:new。
• 创建数组的指令 : newarray、anewarray、multianewarray。
• 访问类字段(static字段 ,或者称为类变量)和实例字段(非static字段 ,或者称为实例变量 )的指令:getfield、putfield、getstatic、putstatic。
• 把一个数组元素加载到操作数栈的指令:baload、caload、saload、iaload、laload、faloads daload、aaload。
• 将一个操作数栈的值存储到数组元素中的指令:bastore、castore、sastore、iastore、fastore、dastore、aastore。
• 检查类实例类型的指令:instanceof、checkcast。

操作数栈管理指令

如同操作一个普通数据结构中的堆栈那样,Java虚拟机提供了一些用于直接操作操作数栈的指令,包括:

• 将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈:pop、pop2。
• 复制栈顶一个或两个数值并将复制值或双份的复制值重新压入栈顶:dup、dup2、 dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2。
• 将栈最顶端的两个数值互换 : swap。

控制转移指令

控制转移指令可以让Java虚拟机有条件或无条件地从指定的位置指令而不是控制转移指令的下一条指令继续执行程序,从概念模型上理解,可以认为控制转移指令就是在有条件或无条件地修改PC寄存器的值。控制转移指令如下。

• 条件分支:ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、 if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq和if_acmpne。
• 复合条件分支:tableswitch、 lookupswitch。
• 无条件分支:goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret。

在Java虚拟机中有专门的指令集用来处理int和reference类型的条件分支比较操作,为了可以无须明显标识一个实体值是否null,也有专门的指令用来检测null值。

与前面算术运算时的规则一致,对于boolean类型、byte类型、char类型和short类型的条件分支比较操作,都是使用int类型的比较指令来完成,而对于long类型、float类型和double类型的条件分支比较操作,则会先执行相应类型的比较运算指令(dcmpg、dcmpl、fcmpg、 fcmpl、lcmp,见6.4.3节),运算指令会返回一个整型值到操作数栈中,随后再执行int类型的条件分支比较操作来完成整个分支跳转。由于各种类型的比较最终都会转化为int类型的比较操作 ,int类型比较是否方便完善就显得尤为重要,所以Java虚拟机提供的int类型的条件分支指令是最为丰富和强大的。

方法调用和返回指令

方法调用(分派、执行过程)将在第8章具体讲解,这里仅列举以下5条用于方法调用的指令。

• invokevirtual指令用于调用对象的实例方法,根据对象的实际类型进行分派(虚方法分派),这也是Java语言中最常见的方法分派方式。
• invokeinterface指令用于调用接口方法,它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象 ,找出适合的方法进行调用。
• invokespecial指令用于调用一些需要特殊处理的实例方法,包括实例初始化方法、私有方法和父类方法。
• invokestatic指令用于调用类方法(static方法)。
• invokedynamic指令用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法,并执行该方法 ,前面4条调用指令的分派逻辑都固化在Java虚拟机内部,而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。

方法调用指令与数据类型无关,而方法返回指令是根据返回值的类型区分的,包括 ireturn (当返回值是boolean、byte、char、short和int类型时使用)、lreturn、freturn、dreturn和 areturn,另外还有一条return指令供声明为void的方法、实例初始化方法以及类和接口的类初始化方法使用。

异常处理指令

在Java程序中显式拋出异常的操作(throw语句)都由athrow指令来实现,除了用throw语句显式拋出异常情况之外,Java虛拟机规范还规定了许多运行时异常会在其他Java虚拟机指令检测到异常状况时自动拋出。例如 ,在前面介绍的整数运算中,当除数为零时,虚拟机会在idiv或ldiv指令中拋出ArithmeticException异常。

而在Java虚拟机中,处理异常(catch语句)不是由字节码指令来实现的(很久之前曾经使用jsr和ret指令来实现,现在已经不用了),而是使用异常表来完成的。

同步指令

Java虚拟机可以支持方法级的同步和方法内部一段指令序列的同步,这两种同步结构都是使用管程(Monitor)来支持的。

方法级的同步是隐式的,即无须通过字节码指令来控制,它实现在方法调用和返回操作之中。虛拟机可以从方法常量池的方法表结构中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志得知一个方法是否声明为同步方法。当方法调用时,调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置,如果设置了,执行线程就要求先成功持有管程,然后才能执行方法, 最后当方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放管程。在方法执行期间,执行线程持有了管程,其他任何线程都无法再获取到同一个管程。如果一个同步方法执行期间拋出了异常,并且在方法内部无法处理此异常,那么这个同步方法所持有的管程将在异常拋到同步方法之外时自动释放。

同步一段指令集序列通常是由Java语言中的synchronized语句块来表不的,Java虚拟机的指令集中有monitorenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字的语义,正确实现synchronized关键字需要Javac编译器与Java虚拟机两者共同协作支持,譬如代码清单6-6中所 示的代码。

编译后,这段代码生成的字节码序列如下:

编译器必须确保无论方法通过何种方式完成,方法中调用过的每条monitorenter指令都必须执行其对应的monitorexit指令 ,而无论这个方法是正常结束还是异常结束。

从代码清单6-6的字节码序列中可以看到,为了保证在方法异常完成时momtorenter和monitorexit指令依然可以正确配对执行,编译器会自动产生一个异常处理器,这个异常处理器声明可处理所有的异常,它的目的就是用来执行momtorexit指令。

公有设计和私有实现

Java虚拟机规范描绘了Java虚拟机应有的共同程序存储格式:Class文件格式以及字节码指令集。这些内容与硬件、操作系统及具体的Java虚拟机实现之间是完全独立的,虚拟机实现者可能更愿意把它们看做是程序在各种Java平台实现之间互相安全地交互的手段。

理解公有设计与私有实现之间的分界线是非常有必要的,Java虚拟机实现必须能够读取Class文件并精确实现包含在其中的Java虚拟机代码的语义。拿着Java虚拟机规范一成不变地逐字实现其中要求的内容当然是一种可行的途径,但一个优秀的虚拟机实现,在满足虚拟机规范的约束下对具体实现做出修改和优化也是完全可行的,并且虚拟机规范中明确鼓励实现者这样做。只要优化后Class文件依然可以被正确读取,并且包含在其中的语义能得到完整的保持 ,那实现者就可以选择任何方式去实现这些语义,虚拟机后台如何处理Class文件完全是实现者自己的事情,只要它在外部接口上看起来与规范描述的一致即可。

虚拟机实现者可以使用这种伸缩性来让Java虚拟机获得更高的性能、更低的内存消耗或者更好的可移植性,选择哪种特性取决于Java虚拟机实现的目标和关注点是什么。虚拟机实现的方式主要有以下两种:

• 将输入的Java虛拟机代码在加载或执行时翻译成另外一种虚拟机的指令集。
• 将输入的Java虚拟机代码在加载或执行时翻译成宿主机CPU的本地指令集(即JIT代码生成技术)。

精确定义的虚拟机和目标文件格式不应当对虚拟机实现者的创造性产生太多的限
制 ,Java虚拟机应被设计成可以允许有众多不同的实现,并且各种实现可以在保持兼容性的同时提供不同的、新的、有趣的解决方案。

这里其实多少存在一些例外:譬如调试器(Debuggers )、性能监视器(Profilers )和即时编译器(Just-In-Time Code Generator )等都可能需要访问一些通常认为是“虚拟机后台”的元素。