小师妹学 JVM 之:java 的字节码 byte code 简介

发布于: 2020 年 06 月 25 日
小师妹学JVM之:java的字节码byte code简介

简介

Byte Code也叫做字节码,是连接java源代码和JVM的桥梁,源代码编译成为字节码,而字节码又被加载进JVM中运行。字节码怎么生成,怎么查看字节码,隐藏在Byte Code背后的秘密是什么呢?快跟小师妹一起来看看吧。

Byte Code的作用

小师妹:F师兄,为什么Java需要字节码呢?直接编译成为机器码不是更快吗?

小师妹,Java的设计初衷是一次编写,到处运行。为了兼容各个平台的运行环境,java特别为各种平台设计了JVM。

我们可以把JVM看做是一种抽象,对外提供了统一的接口。这样我们只需要编写符合JVM规范的代码,即可在JVM中运行。

回想下之前我们提到过的java的执行过程:

  1. 编写java代码文件比如Example.java

  2. 使用java编译器javac将源文件编译成为Example.class文件

  3. JVM加载生成的字节码文件,将其转换成为机器可以识别的native machine code执行

小师妹:F师兄,我有一个大胆的想法,JVM的作用是将字节码解释或者编译成为机器码。然后在相应的运行环境中执行。那么有没有可能,不需要JVM,不需要机器码,而是直接在对应的平台上执行字节码呢?

爱因斯坦说过没有想像力的灵魂,就像没有望远镜的天文台。小师妹你这个想法很好,这种实现有个专业的说法叫做:Java processor。

Java processor就是用硬件来实现的JVM。因此字节码可以直接在Java processor中运行。

其中比较出名的是Jazelle DBX,这是一个主要支持J2ME环境的硬件架构。为了提升java在手机端的执行速度。

但是这样做其实也是有缺点的,后面我们会讲到,java字节码中的指令非常非常多。所以如果用硬件来实现的话,就会非常非常复杂。

一般来说Java processor不会实现全部的字节码中的功能,只会提供部分的实现。

查看Byte Code字节码

小师妹:F师兄,那使用javac编译过后的class文件跟字节码有什么关系呢?

class文件中大部分都是byte code,其他的部分是一些meta data元数据信息。这些组合在一起就是class文件了。

小师妹:F师兄,你说class文件是byte code,为什么我在IDE中打开的时候,直接显示的是反编译出来的源文件呢?

小师妹,这是IDE的一个便利功能。因为大多数情况下,没有人想去看class文件的Byte code的,大家都是想去看看这个class文件的源文件是什么样的。

我们举个最简单的例子:

这个类中,我们定义了一个很简单的testByteCode方法,里面定义了两个变量,然后返回他们两个的和。

现在有两种方法来查看这个类的Byte Code:

第一种方法是用javap命令:

javap -c ByteCodeUsage.class

生成的结果如上所示。

第二种方法就是在IDEA中,选中class文件,然后在view中选中show Bytecode:

我们看下输出结果:

两个的结果在显示上面可能有细微的差异,但是并不影响我们后面对其的解析。

java Byte Code是怎么工作的

小师妹:F师兄,能讲解一下这些byte code到底是怎么工作的吗?

首先我们要介绍一下JVM的实现是基于栈的结构的。为什么要基于栈的结构呢?那是因为栈是最适合用来实现function互相调用的。

我们再回顾一下上面的testByteCode的字节码。里面有很多iconst,istore的东西,这些东西被称作Opcode,也就是一些基于栈的操作指令。

上面讲了java bytecode的操作指令其实有很多个。下面我们列出这些指令的部分介绍:

实在是太多了,这里就不把所有的列出来了。

我们看到的指令名字其实是一个助记词,真实的Opcode是一个占用两个字节的数字。

下面我们来详细解释一下testByteCode方法:

public int testByteCode();
Code:
0: iconst_1
1: istore_1
2: iconst_2
3: istore_2
4: iload_1
5: iload_2
6: iadd
7: ireturn

第一步,iconst_1将int 1加载到stack中。

第二步,istore_1将入栈的int 1出栈,并存储到变量1中。

第三步,iconst_2将int 2入栈。

第四步,istore_2将入栈的int 2出栈,并存储到变量2中。

第五步,iload_1将变量1中的值入栈。

第六步,iload_2将变量2中的值入栈。

第七步,iadd将栈中的两个变量出栈,并相加。然后将结果入栈。

第八步,ireturn将栈中的结果出栈。

这几步实际上完美的还原了我们在testByteCode方法中定义的功能。

当然我们只介绍了最贱的byte code命令,通过这些简单的命令可以组合成为更加复杂的java命令。

总结

本文介绍了java byte code的作用和具体的指令,并分析了一个简单的例子来做说明。希望大家能够掌握。

本文的例子https://github.com/ddean2009/learn-java-base-9-to-20

本文作者:flydean程序那些事

本文链接:http://www.flydean.com/jvm-byte-code/

本文来源:flydean的博客

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优秀 !
2020 年 06 月 25 日 10:08
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