☕【JVM 技术探索】Class 字节码指令操作介绍（上）

前提概要

Java 虚拟机的指令由一个字节长度、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。

指令介绍

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。

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

• fload 指令加载的则是 float 类型的数据。

• 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。

• 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

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_m1、iconst_＜i＞、lconst_＜l＞、fconst_＜f＞、dconst_＜d＞。

扩充局部变量表的访问索引的指令

wide

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。

加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd。减法指令：isub、lsub、fsub、dsub。乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul 等等

类型转换指令

可以将两种不同的数值类型进行相互转换，Java 虚拟机直接支持以下数值类型的宽化类型转换（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。

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。

创建类实例的指令：

new。

创建数组的指令：

newarray、anewarray、multianewarray。

访问字段指令：

getfield、putfield、getstatic、putstatic。

数组存取相关指令

把一个数组元素加载到操作数栈的指令：

baload、caload、saload、iaload、laload、faload、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。

取数组长度的指令：

arraylength。

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。

方法调用指令

• 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。

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 程序中显式抛出异常的操作（throw 语句）都由 athrow 指令来实现

Synchronized 指令

有 monitorenter 和 monitorexit 两条指令来支持 synchronized 关键字的语义