Java字节码指令

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（操作码，Opcode）以及跟随其后的零至多个代表此操作所需的参数（操作数，Operands）构成。即：Java指令 = 操作码 + 操作数。
由于Java虚拟机采用面向操作数栈而不是寄存器的架构，所以大多数的指令都不包含操作数，只有一个操作码。
Java虚拟机解释器的执行模型如下：

do {
    自动计算PC寄存器的值加1；
    根据PC寄存器的指示位置，从字节码中取出操作码；
    if (字节码存在操作数)  从字节码流中取出操作数；
    执行操作码所定义的操作；
} while (字节码流长度 > 0)

一. 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，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指令则是从局部变量表中加载float类型的数据到操作数栈中；
上述两条指令的操作在虚拟机内部可能会由同一段代码来实现，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代表对long类型的数据操作；
s代表对short类型的数据操作；
b代表对byte类型的数据操作；
c代表对char类型的数据操作；
f代表对float类型的数据操作；
d代表对double类型的数据操作；
a代表对reference类型的数据操作；

二. 字节码类型

字节码指令

1. 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之间来回传输，包括：

• 将一个局部变量加载到操作数栈：
  iload、iload_<n>、lload、lload_<n>、aload、aload_<n>等
• 将一个数值从操作数栈存储到局部变量表：
  istore、istore_<n>、lstore、lstore_<n>、astore、astore_<n>等
• 将一个常量加载到操作数栈：
  bipush、sipush、ldc、aconst_null、iconst_<i>等
• 扩充局部变量表的访问索引的指令：
  wide

2. 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。

• 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。
• 按位于指令：
  iand、land。
• 按位亦或指令：
  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，非精确的结果必须舍入为可被表示的最接近的精确值。

3.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虚拟机直接支持小范围类型向大范围类型的安全转换：

• int类型到long、float、double类型转换
• long类型到float、double类型转换
• float类型到double类型转换

4.对象创建与访问指令

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。

• 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)和实例字段的指令：
  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、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。

5. 操作数栈管理指令

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。

• 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

6. 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。

• 条件分支
  ifeq、iflt、ifle、ifne、...
• 复合条件分支
  tableswitch、lookupswitch。
• 无条件分支
  goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret。

7.方法调用和返回指令

• 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。
• 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。

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。

8.异常处理指令

• athrow指令用来实现显式抛出异常的操作

9.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。虚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。
• 同步一段指令集序列通常是由Java语言中的synchronized语句块来表示的，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。