jvm之字节码

news/2024/11/22 18:13:37/

写在前面

java字节码由单字节的指令(也叫做操作码)组成，但一个 byte 最多能够存储 256 个指令，够用吗？截止到目前是够的，因为指令的个数是200多一点，指令分为如下四类：

1：栈操作指令（load store）
2：流程控制指令（goto ）
3：对象操作指令（new invokestatic）
4：算数运算，类型转换指令（iadd i2d）

接下来我们来通过一些字节码分析的例子，来实际的了解下各种指令，以及其作用。在正式开始之前我们先来看下方法栈，栈帧，局部变量表等相关概念。

JVM会为每个线程分配一个独属于自己的线程栈，如下图:

在这里插入图片描述

接着当线程执行一个方法的时候，则会为该方法生成一个栈帧，并将栈帧压入线程栈，假定有如下代码：

void A() {B();
}
void B() {C();
}

则会分别生成A的栈帧，B的栈帧，C的栈帧，并压入线程栈，如下图：

在这里插入图片描述

栈帧中包含如下信息：

局部变量表：存储方法内部的局部变量
操作数栈：存储程序当前运行状态下需要用到的变量
Class引用：方法所属Class在常量池的引用

即如下：

在这里插入图片描述

这里局部变量表中的信息，其实就是我们在方法中定义的局部变量，比如如下代码：

package javadeveloper.mkmoney;public class TestByte {public static void main(String[] args) {int a1 = 20;String a2 = "uuuu"; }
}

则局部变量表信息可通过如下方式(注意编译时需要增加-g)查看：

bogon:temp xb$ javac -g -d . TestByte.java 
bogon:temp xb$ javap -c -verbose javadeveloper/mkmoney/TestByte.class 
...public static void main(java.lang.String[]);...LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       7     0  args   [Ljava/lang/String;3       4     1    a1   I6       1     2    a2   Ljava/lang/String;
}

可以看到主函数main局部变量表中有3个变量，第一个是主函数的入参String数组，第二个和第三个使我们在代码中定义的局部变量a1和a2。

最后因为后续分析还需要用到常量池，我们也来看下，常量池保存的是我们在程序中定义的常量，以及在程序运行过程中需要用到的类权限定名称信息等，比如定义如下代码：

package javadeveloper.mkmoney;public class TestByte {final static int c1 = 900;final static String sportName = "羽毛球";
}

查看常量池：

bogon:temp xb$ javap -c -verbose javadeveloper/mkmoney/TestByte.class | grep 'Constant pool' -A 30
Constant pool:#1 = Methodref          #3.#17         // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Class              #18            // javadeveloper/mkmoney/TestByte#3 = Class              #19            // java/lang/Object#4 = Utf8               c1#5 = Utf8               I#6 = Utf8               ConstantValue#7 = Integer            900#8 = Utf8               sportName#9 = Utf8               Ljava/lang/String;#10 = String             #20            // 羽毛球#11 = Utf8               <init>#12 = Utf8               ()V#13 = Utf8               Code#14 = Utf8               LineNumberTable#15 = Utf8               SourceFile#16 = Utf8               TestByte.java#17 = NameAndType        #11:#12        // "<init>":()V#18 = Utf8               javadeveloper/mkmoney/TestByte#19 = Utf8               java/lang/Object#20 = Utf8               羽毛球

我们只来分析和我们定义的两个常量c1和sportName相关的部分:

常量c1分析：#4 = Utf8               c1  --》常量名称c1#7 = Integer            900  --》常量值是900
常量sportName分析：#8 = Utf8               sportName  --》常量名称sportName#10 = String             #20            // 羽毛球  -》String类型的值，在常量池20的位置#20 = Utf8               羽毛球  --》常量值是羽毛球

1：简单的java类字节码分析

假定我们有如下的java源码：

package javadeveloper.mkmoney;public class TestByte {public static void main(String[] args) {TestByte testByte = new TestByte();}
}

首先我们来将源码通过javac编译为class字节码文件，如下：

bogon:temp xb$ javac -d . TestByte.java 
bogon:temp xb$ tree
.
|____javadeveloper
| |____mkmoney
| | |____TestByte.class
|____.DS_Store
|____TestByte.java

接下来我们通过javap查看字节码信息：

bogon:temp xb$ javap -c javadeveloper/mkmoney/TestByte.class 
Compiled from "TestByte.java"
public class javadeveloper.mkmoney.TestByte {public javadeveloper.mkmoney.TestByte();Code:0: aload_01: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnpublic static void main(java.lang.String[]);Code:0: new           #2                  // class javadeveloper/mkmoney/TestByte3: dup4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V7: astore_18: return
}

我们可以看到默认的构造函数TestByte()以及我们定义的主函数main，方法下面的第一列的整数是字节的偏移量，数字的右侧就是操作码+操作数（可能没有），接下来我们分别来看下。

1.1：构造函数TestByte()

0: aload_0
1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return

首先第一行0: aload_0,0代表偏移量是0，即从0字节开始是该指令的内容，aload_0中的a是代表一个对象，load是代表加载本地变量表中的变量到栈中，_0代表的是从本地变量表中加载变量的位置，因此，整个意思就是，从本地变量表的0位置加载一个对象类型的值压到栈中，如下图：

在这里插入图片描述

第二行1: invokespecial #1代表偏移量是1，即从第一个字节开始是该指令的内容，invokespecial代表是调用一个类实例方法，#1代表是要调用的类实例方法信息在常量池的1位置。

第三行4: return中4代表偏移量是4，即从第四个字节是该指令的信息(说明前一个指令占用了3个字节，这是因为invokespecial占用了2个字节的操作数，只不过这里只使用了字节存储了#1)，return指令，代表方法结束，弹出栈帧。

1.2：主函数main

0: new           #2                  // class javadeveloper/mkmoney/TestByte
3: dup
4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V
7: astore_1
8: return

第一行0: new #2 ，指令的偏移量是0，new指令代表是创建一个对象，#2代表要创建的对象的信息在常量池2的位置。

第二行3: dup，指令的偏移量是3，dup指令是压栈，即将第一行指令创建的对象压到栈顶。

第三行4: invokespecial #3，指令偏移量是4，调用常量池中位置为3的方法，即构造函数。

第四行7: astore_1，指令偏移量是7（说明上个指令占用了3个字节，因为有2字节的的操作数），astore_1中的a代表对象，store，代表存储到本地变量表中，_1代表存储的局部变量表的位置是1，即将当前栈顶的引用类型元素出栈并存储到局部变量表的1位置，如下图：

在这里插入图片描述

第五行8: return,指令偏移量是8，return指令，返回，栈帧弹出，方法结束。

2：局部变量表分析

首先我们准备两个类，如下：

package monkey.study;public class MovieAverage {private int count = 0;private double sum = 0.0D;public void submit(double value) {this.count++;this.sum += value;}public double getAvg() {if (0 == this.count) { return sum; }return this.sum / this.count;}
}

package monkey.study;public class LocalVariableTest {public static void main(String[] args) {MovieAverage ma = new MovieAverage();int num1 = 1;int num2 = 2;ma.submit(num1);ma.submit(num2);double avg = ma.getAvg();}
}

其中LocalVariableTest类重点分析，MovieAverage类作为辅助。

接着我们来编译（增加-g参数保留变量名称信息，方便我们阅读字节码），如下：

D:\test>javac -g -d . MovieAverage.java
D:\test>javac -g -d . LocalVariableTest.java

编译后结构如下：

D:\test>tree
Folder PATH listing for volume 新加卷
Volume serial number is 0023-BF0B
D:.
└───monkey└───study└───MovieAverage.class└───LocalVariableTest.class

接下来你通过javap命令查看LocalVariableTest字节码信息：

D:\test>javap -verbose -c monkey.study.LocalVariableTest
...public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=3, locals=6, args_size=10: new           #2                  // class monkey/study/MovieAverage3: dup4: invokespecial #3                  // Method monkey/study/MovieAverage."<init>":()V7: astore_18: iconst_19: istore_210: iconst_211: istore_312: aload_113: iload_214: i2d15: invokevirtual #4                  // Method monkey/study/MovieAverage.submit:(D)V18: aload_119: iload_320: i2d21: invokevirtual #4                  // Method monkey/study/MovieAverage.submit:(D)V24: aload_125: invokevirtual #5                  // Method monkey/study/MovieAverage.getAvg:()D28: dstore        430: returnLineNumberTable:line 5: 0line 6: 8line 7: 10line 8: 12line 9: 18line 10: 24line 11: 30LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0      31     0  args   [Ljava/lang/String;8      23     1    ma   Lmonkey/study/MovieAverage;10      21     2  num1   I12      19     3  num2   I30       1     4   avg   D
}

LocalVariableTable就是局部局部变量表信息，其他源码对应关系如下图：

在这里插入图片描述

接着我们看下指令是如何同本地变量表发生关系的：

0: new           #2                  // class monkey/study/MovieAverage创建对象MovieAverage，并将其引用值压入栈顶
3: dup复制栈顶元素并压入栈顶,即创建MovieAverage对象应用被复制一份
4: invokespecial #3                  // Method monkey/study/MovieAverage."<init>":()V操作数栈出栈，获取MovieAverage对象应用，并调用其构造函数
7: astore_1操作数栈出栈，获取MovieAverage对象应用（因为dup复制了一份，所以这里还有一份），并存储到本地变量表slot 1的位置，即变量ma，对应代码MovieAverage ma = new MovieAverage();
8: iconst_1将常量1压入栈帧操作数栈栈顶
9: istore_2将操作数栈栈顶元素出栈，并存储到本地变量表slot 2的位置，即变量num1，对应代码int num1 = 1;
10: iconst_2将常量1压入栈帧操作数栈栈顶
11: istore_3将操作数栈栈顶元素出栈，并存储到本地变量表slot 3的位置，即变量num2，对应代码int num2 = 2;
12: aload_1从局部变量表slot 1位置加载变量，即加载变量ma，即获取代码ma.submit(num1);中的ma
13: iload_2从局部变量表slot 2位置加载变量，即加载变量num1，即获取代码ma.submit(num1);中的num1
14: i2d弹出操作数栈栈顶元素，并装换为double，因为MovieAverage.submit方法的入参是double的，所以这里执行强转
15: invokevirtual #4                  // Method monkey/study/MovieAverage.submit:(D)V弹出操作数栈栈顶元素，并执行其实例方法submit，使用上一个指令的结果作为参数
18: aload_1从局部变量表slot 1位置加载变量，即加载变量ma，即获取代码ma.submit(num2);中的ma
19: iload_3从局部变量表slot 2位置加载变量，即加载变量num2，即获取代码ma.submit(num2);中的num2
20: i2d弹出操作数栈栈顶元素，并装换为double，因为MovieAverage.submit方法的入参是double的，所以这里执行强转
21: invokevirtual #4                  // Method monkey/study/MovieAverage.submit:(D)V弹出操作数栈栈顶元素，并执行其实例方法submit，使用上一个指令的结果作为参数
24: aload_1从局部变量表slot 1位置加载变量，即加载变量ma，即获取代码double avg = ma.getAvg();中的ma
25: invokevirtual #5                  // Method monkey/study/MovieAverage.getAvg:()D弹出操作数栈栈顶元素，即ma，并执行其实例方法getAvg，并将操作结果压入操作数栈栈顶，该方法不需要参数
28: dstore        4将操作数栈栈顶的double类型数据出栈，并存入本地变量表slot 4的位置，即赋值给avg变量
30: return栈帧弹出线程栈，方法执行完毕

3：行号表分析

行号表用来存储字节码指令和源代码位置的对应关系，如下测试代码：

package monkey.study;public class LineNumTableTest {public static void main(String[] args) {int a = 1;int b = 2;}
}

接着编译：

D:\test>javac -g -d . LineNumTableTest.java

javap 查看字节码只保留LineNumberTable：

D:\test>javap -c -verbose monkey.study.LineNumTableTest
Classfile /D:/test/monkey/study/LineNumTableTest.class...Code:stack=1, locals=3, args_size=10: iconst_11: istore_12: iconst_23: istore_24: returnLineNumberTable:line 5: 0line 6: 2line 7: 4LocalVariableTable:...
}

行号表line 5: 0意思是指令码偏移量0位置对应的源码的行号是5，如下图：

在这里插入图片描述

其他类似，完整的如下图：

在这里插入图片描述

4：循环控制分析

测试代码如下：

package monkey.study;public class MovieAverage {private int count = 0;private double sum = 0.0D;public void submit(double value) {this.count++;this.sum += value;}public double getAvg() {if (0 == this.count) { return sum; }return this.sum / this.count;}
}

package monkey.study;public class ForLoopTest {private static int[] numbers = {1, 6, 8};public static void main(String[] args) {MovieAverage ma = new MovieAverage();for (int number : numbers) {ma.submit(number);}}
}

接下来编译：

D:\test>javac -d . MovieAverage.javaD:\test>javac -d . ForLoopTest.java

查看字节码如下：

D:\test>javap -c -verbose monkey/study/ForLoopTest
... public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=3, locals=6, args_size=10: new           #2                  // class monkey/study/MovieAverage3: dup4: invokespecial #3                  // Method monkey/study/MovieAverage."<init>":()V7: astore_18: getstatic     #4                  // Field numbers:[I11: astore_212: aload_213: arraylength14: istore_315: iconst_016: istore        418: iload         420: iload_321: if_icmpge     4324: aload_225: iload         427: iaload28: istore        530: aload_131: iload         533: i2d34: invokevirtual #5                  // Method monkey/study/MovieAverage.submit:(D)V37: iinc          4, 140: goto          1843: return
...

指令分析如下：

0: new           #2                  // class monkey/study/MovieAverage创建对象，类信息在常量池2位置,并将创建的对象压入栈帧的操作数栈栈顶
3: dup复制栈顶元素，并压入操作数栈栈顶
4: invokespecial #3                  // Method monkey/study/MovieAverage."<init>":()V栈顶元素出栈，并调用其<init>方法
7: astore_1栈顶对象类型（a）元素出栈，并赋值到局部变量表slot 1位置的变量ma
8: getstatic     #4                  // Field numbers:[I获取常量并压栈都操作数栈栈顶，常量信息通过常量池4位置获取，即private static int[] numbers = {1, 6, 8};
11: astore_2操作数栈出栈，并存储在本地变量表2位置
12: aload_2从本地变量表2位置获取变量，并压栈到操作数栈栈顶
13: arraylength获取操作数栈栈顶元素，并获取其长度，并将长度值压栈到操作数栈栈顶
14: istore_3获取操作数栈栈顶元素并存储到本地变量表3位置
15: iconst_0将整形常量0，压入操作数栈栈顶
16: istore        4获取栈顶整形值并存储到本地变量表4位置
18: iload         4从本地变量表4位置加载对应变量，并压栈到操作数栈栈顶(即for循环的初始值0)
20: iload_3从本地变量表3位置加载对应变量，并压栈到操作数栈栈顶(即数组numbers = {1, 6, 8}的长度3)
21: if_icmpge     43从操作数栈中出栈两个整数，并比较，如果第一个大于第二个，则跳转到指令43的位置，这里43就是43: return，即方法结束
24: aload_2加载本地变量表2位置对象类型变量到操作数栈栈顶,即数组(即数组numbers = {1, 6, 8})
25: iload         4加载本地变量表4位置整数类型变量到操作数栈栈顶，第一次获取的就是0
27: iaload出栈2次，使用第一个出栈结果作为索引，从第二出栈结果中获取整数类型的数据，即执行numbers[0]
28: istore        5将获取的整数结果存储到本地变量表5位置，即赋值到number变量,此时for循环里的number值就是0
30: aload_1从局部变量表1位置获取对象类型变量，即ma，并压栈到操作数栈的栈顶
31: iload         5从局部变量表5位置获取整数类型变量，即number 0，并压栈到操作数栈栈顶
33: i2d栈顶元素出栈，并强转为double，之后重新入栈
34: invokevirtual #5                  // Method monkey/study/MovieAverage.submit:(D)V执行MovieAverage.submit，并出栈操作数栈栈顶元素作为参数，首次就是ma.submit(0d);
37: iinc          4, 1将本地变量表4位置的值+1，即for循环中的number变为1
40: goto          18回到指令18的位置，继续整个循环的过程
43: return

5：一个动态例子

在开始之前先补充一个知识点，程序计数器，用来存储程序当前执行的位置，即字节码指令的偏移量。

如下代码：

package monkey.study;public class DynamicExample {public static void main(String[] args) {int a = 1;int b = 2;int c = (a + b) + 3;}
}

编译并查看字节码：

D:\test>javac -d . -g DynamicExample.javaD:\test>javap -c -verbose monkey.study.DynamicExample
...public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=2, locals=4, args_size=10: iconst_11: istore_12: iconst_23: istore_24: iload_15: iload_26: iadd7: iconst_38: iadd9: istore_310: returnLineNumberTable:line 6: 0line 7: 2line 8: 4line 9: 10LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0      11     0  args   [Ljava/lang/String;2       9     1     a   I4       7     2     b   I10       1     3     c   I
}

接下来我们通过程序计数器，局部变量表，操作数栈3个元素的变化情况来分析下整个执行过程，初始化时如下：

在这里插入图片描述

执行指令0: iconst_1,将整数常量1压到操作数栈：

在这里插入图片描述

执行指令1: istore_1,将栈顶元素出栈，并赋值到局部变量表1位置：

在这里插入图片描述

这样a就被赋值1，接着执行指令2: iconst_2，将整数常量2压到操作数栈：

在这里插入图片描述

接着执行指令3: istore_2，操作数栈出栈，并赋值给局部变量表2位置：

在这里插入图片描述

这样b就赋值2，执行指令4: iload_1,加载局部变量表1位置值到操作数栈，即a变量：

在这里插入图片描述

执行指令5: iload_2，将局部变量表2位置值压到操作数栈栈顶，即变量b：

在这里插入图片描述

执行指令6: iadd,将操作数栈顶2个元素出栈，并执行加法运算，最后将结果重新压到操作数栈栈顶：

在这里插入图片描述

执行指令7: iconst_3,加载整形常量3到操作数栈栈顶：

在这里插入图片描述

执行指令8: iadd，将操作数栈栈顶元素出栈2次，并执行加法运算，将结果重新压到操作数栈栈顶：

在这里插入图片描述

执行指令9: istore_3，操作数栈出栈，并赋值到局部变量表的3位置的整型变量中，即c:

在这里插入图片描述

执行指令10: return,方法结束，方法对应栈帧弹出线程栈。

写在后面


http://www.ppmy.cn/news/57143.html

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