字节码指令集与解析举例 🎡

1. 概述

• Java字节码对于虚拟机，就好像汇编语言对于计算机，属于基本执行指令。

• Java虚拟机的插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结构，所以大多数的指令都不包含操作数，只有一个操作码。

• 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。

• 官方文档 ：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html

• 熟悉虚拟机的指令对于动态字节码生成、反编译Class文件、Class文件修补都有着非常重要的价值。因此，阅读字节码作为了解 Java虚拟机的基础技能，需要熟练掌握常见指令。

1. 执行模型

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

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do{
    自动计算PC寄存器的值加1；
    根据PC寄存器的指示位置，从字节码流中取出操作码；
    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(字节码长度>0)；

2. 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。

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

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。

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

3. 指令分类

由于完全介绍和学习这些指令需要花费大量时间。为了能够更快地熟悉和了解这些基本指令，这里将JVM中的字节码指令集按用途大致分成 9类。

• 加载与存储指令
• 算术指令
• 类型转换指令
• 对象的创建与访问指令
• 方法调用与返回指令
• 操作数栈管理指令
• 比较控制指令
• 异常处理指令
• 同步控制指令

（说在前面）在做值相关操作时：

• 一个指令，可以从局部变量表、常量池、堆中对象、方法调用、系统调用中等取得数据，这些数据（可能是值，可能是对象的引用）被压入操作数栈。
• 一个指令，也可以从操作数栈中取出一到多个值（pop多次），完成赋值、加减乘除、方法传参、系统调用等等操作。实际上都是使用相应的int类型作为运算类型。

2. 加载与存储指令 🥎

1、作用
加载和存储指令用于将数据从栈帧的局部变量表和操作数栈之间来回传递。

2、常用指令

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代表了一组指令（例如 iload_代表了iload_0、iload_1、iload_2和iload_3这几个指令）。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，它们表面上没有操作数，不需要进行取操作数的动作，但操作数都隐含在指令中。

如 iload_0：将局部变链表中索引为0位置上的数据压入操作数栈中

除此之外，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）。在尖括号之间的字母指定了指令隐含操作数的数据类型，<n>代表非负的整数，<i>代表是int类型数据，<l>代表1ong类型，<f>代表float类型，<d>代表double类型。

操作byte、 char、short和lboolean类型数据时，经常用int类型的指令来表示。

1. 再谈操作数栈与局部变量表

1. ==操作数栈==（Operand Stacks）

我们知道，Java字节码是Java虚拟机所使用的指令集。因此，它与Java虚拟机基于栈的计算模型是密不可分的。 在解释执行过程中，每当为Java方法分配栈桢时，Java虚拟机往往需要开辟一块额外的空间作为操作数栈，来存放计算的操作数以及返回结果。

具体来说便是:执行每一条指令之前，Java虚拟机要求该指令的操作数已被压入操作数栈中。在执行指令时，Java虚拟机会将该指令所需的操作数弹出，并且将指令的结果重新压入栈中。

以加法指令iadd 为例。假设在执行该指令前，栈顶的两个元素分别为int值1和 int值2，那么iadd 指令将弹出这两个int，并将求得的和 int值3压入栈中。

由于 iadd 指令只消耗栈顶的两个元素，因此，对于离栈顶距离为2的元素，即图中的问号，iadd 指令并不关心它是否存在，更加不会对其进行修改。

2. 局部变量表（Local Variables）

Java方法栈桢的另外一个重要组成部分则是局部变量区,字节码程序可以将计算的结果缓存在局部变量区之中。实际上,Java虚拟机将局部变量区当成一个数组,依次存放this指针(仅非静态方法),所传入的参数,以及字节码中的局部变量。

和操作数桟一样,long类型以及double类型的值将占据两个单元,其余类型仅占据一个单元。

举例：

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public void foo(long l,float f){
    {
        int i = 0;
    }
    {
        String s = "Hello,World";
    }
}

对应的图示：

• 第一个是this
• 第二个l是long型(8字节)，占据两个槽位
• 第三个 f 是float型，占据一个槽位
• i和s共用一个槽位

在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是局部变量表。局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递

2. 局部变量压栈指令

局部变量压栈指令将给定的局部变量表中的数据压入操作数栈。

• 这类指令大体可以分为:

  • ==xload_==（x为i、l、f、d、a，n为日到3）
  • ==xload== （x为i、l、f、d、a）
  • 说明:在这里，x的取值表示数据类型。

• 指令xload_n表示将第n个局部变量压入操作数栈，比如iload_1、fload_0、aload_0等指令。其中aload_n表示将一个对象引用压栈。

• 指令xload通过指定参数的形式，把局部变量压入操作数栈，当使用这个命令时，表示局部变量的数量可能超过了4个，比如指令iload、fload等。

3. 常量入栈指令

常量入栈指令的功能是将常数压入操作数栈，根据数据类型和入栈内容的不同，又可以分为const系列、push系列和ldc指令。

指令const系列： 用于对特定的常量入栈，入栈的常量隐含在指令本身里。指令有:iconst_<i>（i从-1到5）、lconst_<l>（l从0到1）、fconst_<f>（f从0到2）、dconst_<d>（d从0到1）、aconst_null。 比如：

• iconst_m1将-1压入操作数栈
• iconst_(x为0到5)将x压入栈
• lconst_0、 lconst_1分别将长整数和1压入栈
• fconst_0、 fconst_1、 fconst_2分别将浮点数、1、2压入栈
• dconst_0和 dconst_1分别将 double型和1压入栈
• aconst_null将null压入操作数栈

从指令的命名上不难找出规律,指令助记符的第一个字符总是喜欢表示数据类型,i表示整数,l表示长整数,f表示浮点数,d表示双精度浮点,习惯上用a表示对象引用。如果指令隐含操作的参数,会以下划线形式给出。

• int = 3; iconst_3
• int j =6; bipush 6
• int k = 32768; ldc ?

指令push系列： 主要包括 bipush和sipush。它们的区别在于接收数据类型的不同, bipush接收8位整数作为参数, sipush接收16位整数,它们都将参数压入栈。

指令ldc系列：如果以上指令都不能满足需求，那么可以使用万能的1dc指令，它可以接收一个8位的参数，该参数指向常量池中的int、float或者String的索引，将指定的内容压入堆栈。
类似的还有ldc_w，它接收两个8位参数，能支持的索引范围大于ldc。
如果要压入的元素是long或者double类型的，则使用ldc2_w指令，使用方式都是类似的。

总结如下：

例： int类型举例

其他类型举例

4. 出栈装入局部变量表指令

出栈装入局部变量表指令用于将操作数栈中栈顶元素弹出后，装入局部变量表的指定位置，用于给局部变量赋值。

这类指令主要以store的形式存在，比如 xstore （x 为 i、l、f、d、a）、xstore_n（x 为 i、l、f、d、a，n 为 0 至 3 ）。

• 其中，指令istore_n将从操作数栈中弹出一个整数，并把它赋值给局部变量索引n位置 。
• 指令xstore由于没有隐含参数信息，故需要提供一个byte类型的参数类指定目标局部变量表的位置。

说明:
**一般说来，类似像store这样的命令需要带一个参数，用来指明将弹出的元素放在局部变量表的第几个位置。**但是，为了尽可能压缩指令大小，使用专门的istore_1指令表示将弹出的元素放置在局部变量表第1个位置。类似的还有 istore_0、istore_2、istore_3，它们分别表示从操作数栈顶弹出一个元素，存放在局部变量表第0、2、3个位置。

由于局部变量表前几个位置总是非常常用，因此**这种做法虽然增加了指令数量，但是可以大大压缩生成的字节码的体积。**如果局部变量表很大，需要存储的槽位大于3，那么可以使用istore指令，外加一个参数，用来表示需要存放的槽位位置。

foo方法解析

• 操作数栈最大深度为5
• 两个代码块共用了一个槽位，在第一个代码块执行完毕之后第二个代码块会复用第一个代码块的槽位
• 如图所示

3. 算术指令

1 、作用

算术指令用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算，并把计算结果重新压入操作数栈

2、分类

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类型数据进行运算的指令。

3、byte、short、char和boolean类型说明
在每一大类中，都有针对Java虚拟机具体数据类型的专用算术指令。但没有直接支持byte、 short、 char和boolean类型的算术指令，对于这些数据的运算，都使用int类型的指令来处理。此外，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。
Java虚拟机中的实际类型与运算类型

4、运算时的溢出

数据运算可能会导致溢出，例如两个很大的正整数相加，结果可能是一个负数。其实Java虚拟机规范并无明确规定过整型数据溢出的具体结果，仅规定了在处理整型数据时，只有除法指令以及求余指令中当出现除数为0时会导致虚拟机抛出异常ArithmeticException。

5、运算模式

• 向最接近数舍入模式:JVM要求在进行浮点数计算时，所有的运算结果都必须舍入到适当的精度，非精确结果必须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；
• 向零舍入模式:将浮点数转换为整数时，采用该模式，该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作为最精确的舍入结果；

6、NaN值使用

当一个操作产生溢出时，将会使用有符号的无穷大表示，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。而且所有使用NaN值作为操作数的算术操作，结果都会返回 NaN；

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public void method1(){
    int i = 10;
    double j = i / 0.0;
    System.out.println(j); // 无穷大

    double d1 = 0.0;
    double d2 = d1 / 0.0;
    System.out.println(d2);// NaN: not a number
}

// 结果 👇
Infinity
NaN

1. 所有算术指令

所有的算术指令包括

• 加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd
• 减法指令：isub、lsub、fsub、dsub
• 乘法指令：imu、lmu、fmul、dmul
• 除法指令：idiv、ldiv、fdiv、ddiv
• 求余指令：irem、lrem、frem、drem // remainder-余数
• 取反指令：ineg、lneg、fneg、dneg // negation-取反
• 自增指令：iinc
• 位运算指令：
  • 位移指令：ishl(左移)、ishr（右移）、 iushr（无符号右移）、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
• 比较指令:：dcmpg、dcmp1、 fcmpg、fcmp1、lcmp

1、举例

1、取反运算

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public void method2(){
    float i = 10;
    float j = -i;
    i = -j;
}

// 字节码指令 👇
0 ldc #4 <10.0> //压入i
2 fstore_1      //存储在操作数栈索引为1的位置
3 fload_1       //加载操作数上索引为1的数i
4 fneg          //对i取反
5 fstore_2      //将i取反的结果j存储在操作数栈索引为2的位置
6 fload_2       //加载操作数栈索引为2的j
7 fneg          //对j取反
8 fstore_1      //将j存储在操作数栈为1的索引i上，及改变i的值
9 return        //方法返回

2、加减运算

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public void method3(int j){
    int i = 100;
    i = i + 10;
//    i += 10;
}

// 字节码指令 👇
0 bipush 100
2 istore_2
3 iload_2
4 bipush 10
6 iadd
7 istore_2
8 return
  
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public void method3(int j){
    int i = 100;
//    i = i + 10;
    i += 10;
}

// 字节码指令 👇
0 bipush 100
2 istore_2
3 iinc 2 by 10
6 return

3、乘除运算

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public int method4(){
    int a = 80;
    int b = 7;
    int c = 10;
    return (a + b) * c;
}

// 字节码指令 👇
 0 bipush 80
 2 istore_1
 3 bipush 7
 5 istore_2
 6 bipush 10
 8 istore_3
 9 iload_1
10 iload_2
11 iadd
12 iload_3
13 imul
14 ireturn

4、位运算

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public int method5(int i ,int j){
    return ((i + j - 1) & ~(j - 1));
}

// 字节码指令 👇
 0 iload_1
 1 iload_2
 2 iadd
 3 iconst_1
 4 isub
 5 iload_2
 6 iconst_1
 7 isub
 8 iconst_m1 // 加载常量 -1
 9 ixor      // num ^ (-1) 可得 ~(num)
10 iand
11 ireturn

4、—个曾经的案例

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public void add(){
    byte i = 15;
    int j = 8;
    int k = i +j;
}

字节码对应的内存解析

5、i++ 与 ++i 的问题

• 如果不涉及赋值操作，从字节码角度看是一样的

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public void method6(){
    int i = 10;
    //i++;
    ++i;
}

// 字节码指令 👇 不管是i++ 还是 ++i 字节码都是一样的。
0 bipush 10
2 istore_1
3 iinc 1 by 1
6 return

• 涉及到赋值操作时
  • i++是先赋值后运算
  • ++i是先运算后赋值

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public void method7(){
    int i = 10;
    int a = i++;
    int j = 20;
    int b = ++j;
}

// 字节码指令 👇
 0 bipush 10
 2 istore_1
 3 iload_1
 4 iinc 1 by 1
 7 istore_2
 8 bipush 20
10 istore_3
11 iinc 3 by 1
14 iload_3
15 istore 4
17 return

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public void method8(){
    int i = 10;
    i = i++;
    System.out.println(i); // 10
}

// 字节码指令 👇
 0 bipush 10
 2 istore_1
 3 iload_1
 4 iinc 1 by 1
 7 istore_1
 8 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
11 iload_1
12 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println : (I)V>
15 return

2. 比较指令的说明

• 比较指令的作用是比较栈顶两个元素的大小，并将比较结果入栈。

• 比较指令有：dcmpg， dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp。

  • 与前面讲解的指令类似，首字符d表示double类型，f表示float，1表示long。

• 对于double和float类型的数字，由于NaN的存在，各有两个版本的比较指令。以float为例，有fcmpg和fcmpl两个指令，它们的区别在于在数字比较时，若遇到NaN值，处理结果不同。

• 指令dcmpl和dcmpg也是类似的，根据其命名可以推测其含义，在此不再赘述。

• 指令lcmp针对long型整数，由于long型整数没有NaN值，故无需准备两套指令。

**举例：**指令 fcmpg 和 fcmpl 都从栈中弹出两个操作数，并将它们作比较，设栈顶的元素为 v2，栈顶顺位第2位的元素位 v1，若 v1 = v2，则压入 0；若 v1 > v2 则压入 1；若 v1 < v2则压入 -1。

两个指令的不同在于，如果遇到 NaN，fcmpg 会压入 1，而 fcmpl 会压入 01。

4. 类型转换指令

类型转换指令说明

• 类型转换指令可以将两种不同的数值类型进行相互转换。（主要指除了boolean之外的七种类型）
• 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。

1. 宽化类型转换

1. 转换规则:

Java虚拟机直接支持以下数值的宽化类型转换（widening numeric conversion， 小范围类型局大范围类型的安全转换）。也就是说，并不需要指令执行，包括:

• 从int类型到1ong、float或者double类型。对应的指令为:i2l、i2f、i2d
• 从long类型到float、 double类型。对应的指令为:l2f、l2d
• 从float类型到double类型。对应的指令为:f2d

简化为: int 一> long 一> float 一> double

2. 精度损失问题

• 宽化类型转换是不会因为超过目标类型最大值而丢失信息的,例如,从int转换到long,或者从int转换到 double,都不会丢失任何信息,转换前后的值是精确相等的。
• 从int、long类型数值 float转换到,或者long类型数值 double转换到时,将可能发生精度丢失——可能丢失掉几个最低有效位上的值,转换后的浮点数值是根据IEEE754最接近舍入模式所得到的正确整数值。

尽管宽化类型转换实际上是可能发生精度丢失的,但是这种转换永远不会导致ava虚拟机抛出运行时异常。

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// 举例：精度损失的问题
@Test
public void upCast2(){
    int i = 123123123;
    float f = i;
    System.out.println(f); // 1.2312312E8  精度丢失

    long l = 123123123123L;
    l = 123123123123123123L;
    double d = l;
    System.out.println(d); // 1.2312312312312312E17 精度丢失
}
// long类型是8个字节，在底层存储也是2个槽位（slot）
// folat类型是4个字节，1个槽位，这就存在一个偏差，明明long类型使用的内存占据的空间更大
// 转换为folat使用的空间小，容量更大，空间更小，还更加精确，不可能兼顾
// 所以long转float还是int转float既然容量大，精度就不会这么精准，float一部分是用来表示底数。另外一部分用来表示指数
// 所以存储的范围更大，但相应的问题就是精度没有那么高了，涉及到精度高的用BigDecimal

补充说明

从byte、char和short类型到int类型的宽化类型转换实际上是不存在的。对于byte类型转为int，虚拟机并没有做实质性的转化处理，只是简单地通过操作数栈交换了两个数据。而将byte转为long时，使用的是i2l，可以看到在内部byte在这里已经等同于int类型处理，类似的还有short类型，这种处理方式有两个特点:

• 一方面可以减少实际的数据类型，如果为short和byte都准备一套指令，那么指令的数量就会大增，而虚拟机目前的设计上，只愿意使用一个字节表示指令，因此指令总数不能超过256个，为了节省指令资源，将short和byte当做int处理也在情理之中。
• 另一方面，由于局部变量表中的槽位固定为32位，无论是byte或者short存入局部变量表，都会占用32位空间。从这个角度说，也没有必要特意区分这几种数据类型。

2. 窄化类型转换

1. 转换规则

Java虚拟机也直接支持以下窄化类型转换：

• 从int类型至byte、 short或者char类型。对应的指令有：==i2b、i2c、i2c==
• 从 long类型到int类型。对应的指令有：==l2i==
• 从 float类型到int或者long类型对应的指令有：==f2i、f2l==
• 从 double类型到int、long或 float者类型。对应的指令有：==d2i、d2、d2f==

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// 当short转byte时，直接看成int转即可
public void downCast3(){
    short s = 10;
    byte b = (byte)s;
}

// 字节码指令 👇
0 bipush 10
2 istore_1
3 iload_1
4 i2b
5 istore_2
6 return

2. 精度损失问题

窄化类型转换可能会导致转换结果具备不同的正负号、不同的数量级,因此,转换过程很可能会导致数值丢失精度。

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抛出运行时异常

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@Test
public void downCast4(){
    int i = 128;
    byte b = (byte)i; // byte 最大到127  转换后精度丢失，结果为-128
    System.out.println(b); // -128
}
// int类型128转 byte 高位全部砍掉之后的二进制为 1000 0000  第一位符号位  

3. 补充说明

1、当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

2、当将一个double类型窄化转换为 float类型时,将遵循以下转换规则: 通过向最接近数舍入模式舍入一个可以使用 float类型表示的数字。最后结果根据下面这3条规则判断:

• 如果转换结果的绝对值太小而无法使用 float来表示,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，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。

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//测试NaN,无穷大的情况
@Test
public void downCast5(){
    double d1 = Double.NaN; //0.0 / 0.0
    int i = (int)d1;
    System.out.println(d1); // NaN
    System.out.println(i);  // 0 整型不存在NaN，按0处理

    double d2 = Double.POSITIVE_INFINITY; // Infinity
    long l = (long)d2;
    int j = (int)d2;
    System.out.println(l); // 9223372036854775807  转换后指向了long型的最大值  Infinity -> 9223372036854775807
    System.out.println(Long.MAX_VALUE); // 9223372036854775807
    System.out.println(j); // 2147483647 转换后指向了int型的最大值  Infinity -> 2147483647
    System.out.println(Integer.MAX_VALUE); // 2147483647

    float f = (float)d2;
    System.out.println(f); // Infinity   float无穷大没有具体值

    float f1 = (float)d1;
    System.out.println(f1); // NaN
}

5. 对象的创建与访问指令

Java是面向对象的程序设计语言，虚拟机平台从字节码层面就对面向对象做了深层次的支持。有一系列指令专门用于对象操作，可进一步细分为创建指令、字段访问指令、数组操作指令、类型检查指令。

1. 创建指令

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:

1. 创建类实例的指令:

• 创建类实例的指令：new
  • 它接收一个操作数，为指向常量池的索引，表示要创建的类型，执行完成后，将对象的引用压入栈。

2. 创建数组的指令:

• 创建数组的指令：newarray、 anewarray、multianewarray.
  • newarray：创建基本类型数组
  • anewarray：创建引用类型数组
  • multianewarray：创建多维数组

上述创建指令可以用于创建对象或者数组，由于对象和数组在Java中的广泛使用，这些指令的使用频率也非常高。

下面的例子中 strArray之所以是anewArray而不是multianewArray是因为strArray在堆中相当于只是创建了一个一维数组，每个一维数组中元素还没初始化，默认还全是null（初始化完成之后，每个元素也是一维数组）

2. 字段访问指令

对象创建后，就可以通过对象访问指令获取对象实例或数组实例中的字段或者数组元素。

• ==访问类字段==（static字段，或者称为类变量）的指令：getstatic、putstatic
• ==访问类实例字段==（非static字段，或者称为实例变量）的指令：getfield、 putfield

举例：

以getstatic指令为例，它含有一个操作数，为指向常量池的Fieldref索引，它的作用就是获取Fieldref指定的对象或者值，并将其压入操作数栈。

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public void sayHello() {
    System.out.println("hello");
}

// 字节码指令 👇
0 getstatic #8 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
3 ldc #9 <hello>
5 invokevirtual #10 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>
8 return

图示：

通过下面代码感受getstatic、putstatic与getfield、putfield

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public void setOrderId() {
    Order order = new Order();
    order.id = 1001;
    System.out.println(order.id);

    Order.name = "ORDER";
    System.out.println(Order.name);
}

//  字节码指令 👇
 0 new #11 <jvm/Order>
 3 dup
 4 invokespecial #12 <jvm/Order.<init> : ()V>
 7 astore_1
 8 aload_1
 9 sipush 1001
12 putfield #13 <jvm/Order.id : I>
15 getstatic #8 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
18 aload_1
19 getfield #13 <jvm/Order.id : I>
22 invokevirtual #14 <java/io/PrintStream.println : (I)V>
25 ldc #15 <ORDER>
27 putstatic #16 <jvm/Order.name : Ljava/lang/String;>
30 getstatic #8 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
33 getstatic #16 <jvm/Order.name : Ljava/lang/String;>
36 invokevirtual #10 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>
39 return

3. 数组操作指令

数组操作指令主要有：xastore和xaload指令。具体为:

• 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、 lastore.fastore、 dastore、 aastore

即:

• 取数组长度的指令:arraylength
  • 该指令弹出栈顶的数组元素，获取数组的长度，将长度压入栈。

说明

• 指令xaload表示将数组的元素压栈，比如saload、caload分别表示压入short数组和char数组。指令xaload在执行时，要求操作数中栈顶元素为数组索引i，栈顶顺位第2个元素为数组引用a，该指令会弹出栈顶这两个元素，并将a[i]重新压入栈。
• xastore则专门针对数组操作，以iastore为例，它用于给一个int数组的给定索引赋值。在iastore执行前，操作数栈顶需要以此准备3个元素：==值、索引、数组引用==，iastore会弹出这3个值，并将值赋给数组中指定索引的位置。

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bipush 10 // 将10放入操作数栈中会，
newarray 10 (int) // 创建数组，在操作数栈中保存数组的地址0x3344指向堆空间中真正new的数组，
astore_1  // 地址值0x3344出栈保存到局部变量表中为1的位置，
aload_1   // 局部变量表索引为1的比变量入栈
iconst_3  // 加载常量3 
bipush 20 // 在放入一个20。
iastore // 操作数栈顶3个元素:值、索引、数组引用，iastore会弹出这3个值，并将值赋给数组中指定索引的位置，这里是将20赋值给数组索引为3个元素 
getstatic  // 获取System.out对象
aload_1    // 加载局部变量表 0x3344入操作数栈
iconst_1   // 常量1入操作数栈
iaload     // 会弹出栈顶这两个元素，并将a[1](栈顶一个元素1表示数组下标)重新压入栈。
invokevirtual // 调用Print输出。
return     // 返回

4. 类型检查指令

检查类实例或数组类型的指令:instanceof、checkcast。

• 指令checkcast用于检查类型强制转换是否可以进行。如果可以进行，那么checkcast指令不会改变操作数栈，否则它会抛出ClassCastException异常。
• 指令instanceof用来判断给定对象是否是某一个类的实例，它会将判断结果压入操作数栈。

6. 方法调用与返回指令

1. 方法调用指令

方法调用指令： invokevirtual、 invokeinterface、invokespecial、 invokestatic 、 invokedynamic

以下5条指令用于方法调用:

• ==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），支持多态。这也是Java语言中最常见的方法分派方式。（多态场景下方法的重写）
• ==invokeinterface== 指令用于调用接口方法，它会在运行时搜索由特定对象所实现的这个接口方法，并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（构造器）、私有方法和父类方法。这些方法都是静态类型绑定的，不会在调用时进行动态派发。（主要指不能被重写的一些方法）
• ==invokestatic== 指令用于调用命名类中的类方法（static方法）。这是静态绑定的。
• ==invokedynamic==：调用动态绑定的方法，这个是JDK1.7后新加入的指令。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。

invokespecial

invokestatic

invokeinterface

invokevirtual

2. 方法返回指令

方法调用结束前,需要进行返回。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。

举例：

• 通过 ireturn 指令，将当前函数操作数栈的顶层元素弹出，并将这个元素压入调用者函数的操作数栈中（因为调用者非常关心函数的返回值），所有在当前函数操作数栈中的其他元素都会被丢弃。

• 如果当前返回的是 synchronized 方法，那么还会执行一个隐含的 monitorexit 指令，退出临界区。

• 最后，会丢弃当前方法的整个帧，恢复调用者的帧，并将控制权转交给调用者。

7. 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，JVM提供的操作数栈管理指令，可以用于直接操作操作数栈的指令。

这类指令包括如下内容：

• 将一个或两个元素从栈顶弹出，并且直接废弃：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Slot数值位置交换：swap。 Java虚拟机没有提供交换两个64位数据类型（long double）数值的指令。
• 指令nop，是一个非常特殊的指令，它的字节码为0x00。和汇编语言中的nop一样，它表示什么都不做。这条指令一般可用于调试、占位等。

这些指令属于通用型，对栈的压入或者弹出无需指明数据类型。

说明：

• 不带_x的指令是复制栈顶数据并压入栈顶。包括两个指令，dup和dup2.dup的系数代表要复制的Slot个数。
  • dup开头的指令用于复制1个Slot的数据。例如1个int或1个reference类型数据
  • dup2开头的指令用于复制2个Slot的数据。例如1个long，或2个int，或1个int+1个float类型数据
• 带_x的指令是复制栈顶数据并插入栈顶以下的某个位置。共有4个指令，dup_x1， dup2_x1，dup_x2，dup2_x2。对于带_x的复制插入指令，只要将指令的dup和x的系数相加，结果即为需要插入的位置。因此
  • dup_x1插入位置：1+1=2，即栈顶2个Slot下面
  • dup_x2插入位置：1+2=3，即栈顶3个Slot下面
  • dup2_x1插入位置：2+1=3，即栈顶3个Slot下面
  • dup2_x2插入位置：2+2=4，即栈顶4个Slot下面
• pop:将栈顶的1个Slot数值出栈。例如1个short类型数值

• pop2:将栈顶的2个Slot数值出栈。例如1个double类型数值，或者2个int类型数值

8. 控制转移指令 🔮

程序流程离不开条件控制，为了支持条件跳转，虚拟机提供了大量字节码指令，大体上可以分为

• 比较指令

• 条件跳转指令

• 比较条件跳转指令

• 多条件分支跳转指令

• 无条件跳转指令等

1. 比较指令

比较指令的说明：

• 比较指令的作用是比较栈顶两个元素的大小，并将比较结果入栈。

• 比较指令有: dcmpg、dcmpl、 fcmpg、fcmpl、lcmp。

  • 与前面讲解的指令类似,首字符 d 表示 double 类型，f 表示 float，l 表示 long

• 对于 double和float和类型的数字，由于NaN的存在,各有两个版本的比较指令。以 float为例，有 fcmpg 和fcmpl 两个指，它们的区别在于在数字比较时,若遇到 NaN 值，处理结果不同。

• 指令 dcmpl 和 dcmpg 也是类似的,根据其命名可以推测其含义,在此不再赘述。

• 指令 lcmp 针对 long 型整数，由于 long 型整数没有 NaN 值,故无需准备两套指令。

举例:
指令 fcmpg 和 fcmp1 都从栈中弹出两个操作数，并将它们做比较,设桟顶的元素为 v2，栈顶顺位第2位的元素为v1，若 v1 = v2，则压入 0；若 v1 > v2 则压入 1；若 v1 < v2 则压入 -1。
两个指令的不同之处在于，如果遇到 NaN 值，fcmpg 会压入1，而 fcmpl 会压入-1。

数值类型数据才可以谈大小！（byte\short\char\int；long\float\double）

boolean、引用数据类型不能比较大小。

2. 条件跳转指令

条件跳转指令通常和比较指令结合使用。在条件跳共今不前，一般可以先用比较指令选行栈顶元素的准备，然后进行条件跳转。
条件跳转指令有：ifeq， iflt， ifle， ifne， ifgt， ifge， ifnull， ifnonnull。这些指令都接收两个字节的操作数，用于计算跳转的位置（16位符号整数作为当前位置的offset）。

它们的统一含义为： 弹出栈顶元素，测试它是否满足某一条件，如果满足条件，则跳转到给定位置。

具体说明：

注意：

• 与前面运算规则一致

  • 对于boolean、 byte、 char、short类型的条件分支比较操作，都是使用int类型的比较指令完成
  • 对于long、 fldat、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，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

• 由于各类型的比较最终都会转为int类型的比较操作，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。

1、ifeq

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// 1.条件跳转指令
public void compare1(){
    int a = 0;
    if(a != 0){
        a = 10;
    }else{
        a = 20;
    }
}

// 字节码指令 👇
 0 iconst_0
 1 istore_1
 2 iload_1
 3 ifeq 12 (+9) // 判断不等于0则直接跳转到计数器为12的位置 此处等于0执行下一步
 6 bipush 10
 8 istore_1
 9 goto 15 (+6) // 无条件条状到计数器为15的位置
12 bipush 20
14 istore_1
15 return

2、ifnull

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public boolean compareNull(String str){
    if(str == null){
        return true;
    }else{
        return false;
    }
}

// 字节码指令 👇
0 aload_1
1 ifnonnull 6 (+5) // 如果不等于null则直接跳转到计数器为6的位置 此处等于null执行下一步
4 iconst_1
5 ireturn
6 iconst_0
7 ireturn

3、综合比较指令举例

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public void compare2() {
    float f1 = 9;
    float f2 = 10;
    System.out.println(f1 < f2); // true
}

 // 字节码指令 👇
 0 ldc #2 <9.0>
 2 fstore_1
 3 ldc #3 <10.0>
 5 fstore_2
 6 getstatic #4 <java/lang/System.out>
 9 fload_1
10 fload_2
11 ifcmpg  // 比较指令 f1 为v1 f2为v2 v1 < v2 返回 -1 
12 ifge 19 (+7) // 判断是否大于等于 0 大于等于跳转到计数器为19的位置，不大于等于执行下一行，此处为-1(比较完-1也会出栈)
15 iconst_1 // 将 1 入操作数栈
16 goto 20 (+4)
19 iconst_0
20 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>  // 明明是 1 怎么会打印出来 true 呢 查看常量池索引5的位置
23 return

3. 比较条件跳转指令

比较条件跳转指令类似于比较指令和条件跳转指令的结合体，它将比较和跳转两个步骤合二为一。
这类指令有：==if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、if_icmpgt、if_icmple、 ificmpge、if_ acmpeq 和 if_acmpne==。 其中指令助记符加上 “ if_ ” 后，以字符 “ i ” 开头的指令针对int型整数操作(也包括 short和byte类型)，以字符 “ a ” 开头的指令表示对象引用的比较。

具体说明：

这些指令都接收两个字节的操作数作为参数，用于计算跳转的位置。同时在执行指令时，栈顶需要准备两个元素进行比较。指令执行完成后，栈顶的这两个元素被清空，且没有任何数据入栈。如果预设条件成立，则执行跳转，否则，继续执行下一条语句。

举例

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// 2.比较条件跳转指令
public void ifCompare1(){
    int i = 10;
    int j = 20;
    System.out.println(i < j);
}

// 字节码指令 👇
 0 bipush 10
 2 istore_1
 3 bipush 20
 5 istore_2
 6 getstatic #4 <java/lang/System.out>
 9 iload_1
10 iload_2
11 if_icmpge 18 (+7) // i 为 v1，j 为v2，判断i是否大于等于j，大于等于跳转到计数器为18的位置，不大于等于执行下一行
14 iconst_1      // 将 1 入栈 
15 goto 19 (+4) // 跳转到计数器为19
18 iconst_0
19 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>  // 输出为true 
22 return

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public void ifCompare3() {
    Object obj1 = new Object();
    Object obj2 = new Object();
    System.out.println(obj1 == obj2); //f alse
    System.out.println(obj1 != obj2); // true
}

// 字节码指令 👇
 0 new #10 <java/lang/Object>
 3 dup
 4 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init>>
 7 astore_1
 8 new #10 <java/lang/Object>
11 dup
12 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init>>
15 astore_2
16 getstatic #4 <java/lang/System.out>
19 aload_1
20 aload_2
21 if_acmpne 28 (+7) // 判断 obj1 和 obj2 是否相等；不相等时跳转，此处是new的两个对象,地址肯定不同。 直接跳到计数器为28
24 iconst_1  
25 goto 29 (+4)
28 iconst_0 // 将 0 入栈
29 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>
32 getstatic #4 <java/lang/System.out>
35 aload_1
36 aload_2
37 if_acmpeq 44 (+7) // 判断 obj1 和 obj2 是否相等；相等时跳转，此处是new的两个对象,地址肯定不同。 不跳转,执行下一行
40 iconst_1
41 goto 45 (+4)
44 iconst_0
45 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>
48 return

4. 多条件分支跳转

多条件分支跳转指令是专为 switch一case 语句设计的，主要有 tableswitch 和 lookupswitch。

从助记符上看，两者都是 switch 语句的实现，它们的区别：

• tableswitch 要求多个条件分支值是连续的，它内部只存放起始值和终止值，以及若干个跳转偏移量，通过给定的操作数 index，可以立即定位到跳转偏移量位置，因此效率比较高。
• 指令 lookupswitch 内部存放着各个离散的 case一offse 对，每次执行都要搜索全部的 case一offset 对，找到匹配的 case 值，并根据对应的 offset 计算跳转地址，因此效率较低。

1、指令 tableswitch 的示意图如下图所示。由于 tableswitch 的 case 值是连续的，因此只需要记录最低值和最高值，以及每一项对应的 offset 偏移量，根据给定的 index 值通过简单的计算即可直接定位到 offset。

示例

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//3.多条件分支跳转
public void swtich1(int select) {
    int num;
    switch (select) {
        case 1:
            num = 10;
            break;
        case 2:
            num = 20;
            break;
        case 3:
            num = 30;
            break;
        default:
            num = 40;
    }
}

// 字节码指令 👇
 0 iload_1
 1 tableswitch 1 to 3
	1:  28 (+27)
	2:  34 (+33)
	3:  40 (+39)
	default:  46 (+45)
28 bipush 10
30 istore_2
31 goto 49 (+18)
34 bipush 20
36 istore_2
37 goto 49 (+12)
40 bipush 30
42 istore_2
43 goto 49 (+6)
46 bipush 40
48 istore_2
49 return

2、指令 1ookupswitch 处理的是离散的 case 值，但是出于效率考虑，将 case一offset 对按照 case 值大小排序，给定 index 时，需要査找与 index 相等的 case，获得其 offset，如果找不到则跳转到default。指令 1ookupswitch 如下图所示。

5. 无条件跳转

目前主要的无条件跳转指令为goto。指令goto接收两个字节的操作数，共同组成一个带符号的整数，用于指定指令的偏移量，指令执行的目的就是跳转到偏移量给定的位置处。

如果指令偏移量太大，超过双字节的带符号整数的范围，则可以使用指令 goto_w，它和 goto 有相同的作用，但是它接收4个宇节的操作数，可以表示更大的地址范围。

指令jsr、jsr_w、ret虽然也是无条件跳转的，但 主要用于 try一finally语句，且已经被虚拟机逐渐废弃，故不在这里介绍这两个指令。

举例：

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// 4.无条件跳转指令
public void whileInt() {
    int i = 0;
    while (i < 100) {
        String s = "atguigu.com";
        i++;
    }
}

// 字节码指令 👇
 0 iconst_0
 1 istore_1
 2 iload_1
 3 bipush 100
 5 if_icmpge 17 (+12)
 8 ldc #17 <atguigu.com>
10 astore_2
11 iinc 1 by 1
14 goto 2 (-12)
17 return

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public void printFor() {
    short i;
    for (i = 0; i < 100; i++) {
        String s = "atguigu.com";
    }
}

// 字节码指令 👇
 0 iconst_0
 1 istore_1
 2 iload_1
 3 bipush 100
 5 if_icmpge 19 (+14)
 8 ldc #17 <atguigu.com>
10 astore_2
11 iload_1
12 iconst_1
13 iadd
14 i2s
15 istore_1
16 goto 2 (-14)
19 return

结论：

• while 和 for 的字节码是一样的，区别是 i 的作用域不同
• doWhile 中 i++ 至少会执行一次

9. 异常处理指令

1. 抛出异常指令

1、athrow指令

在 Java 程序中显示抛出异常的操作 （throw语句）都是由 athrow 指令来实现。 除了使用 throw 语句显示抛出异常情况之外，**JVM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抛出。**例如，在之前介绍的整数运算时，当除数为零时，虚拟机会在 idiv 或 ldiv 指令中抛出 ArithmeticException异常。

2、注意

正常情况下，操作数栈的压入弹出都是一条条指令完成的。唯一的例外情况是在抛异常时，Java虚拟机会清除操作数栈上的所有内容，而后将异常实例压入调用者操作数栈上。

异常及异常的处理：

• 过程一：异常对象的生成过程 –> throw(手动/自动) –> ==指令：athrow==
• 过程二：异常的处理：抓抛模型。try-catch-finally –> ==使用异常表==

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public void throwZero(int i){
    if(i == 0){
        throw new RuntimeException("参数值为0");
    }
}

// 字节码指令 👇
 0 iload_1
 1 ifne 14 (+13)
 4 new #2 <java/lang/RuntimeException>
 7 dup
 8 ldc #3 <参数值为0>
10 invokespecial #4 <java/lang/RuntimeException.<init> : (Ljava/lang/String;)V>
13 athrow
14 return

2. 异常处理与异常表

1. 处理异常

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（早期使用jsr、ret指令），而是采用异常表来完成的。

2. 异常表

如果一个方法定义了一个 try一catch 或者 try一finally 的异常处理，就会创建一个异常表。它包含了每个异常处理或者 finally 块的信息。异常表保存了每个异常处理信息。比如：

• 起始位置
• 结束位置
• 程序计数器记录的代码处理的偏移地址
• 被捕获的异常类在常量池中的索引

**当一个异常被抛出时，JVM会在当前的方法里寻找一个匹配的处理，如果没有找到，这个方法会强制结束并弹出当前栈帧，**并且异常会重新抛给上层调用的方法（在调用方法栈帧）。如果在所有栈帧弹出前仍然没有找到合适的异常处理，这个线程将终止。如果这个异常在最后一个非守护线程里抛出，将会导致JVM自己终止，比如这个线程是个main线程。

**不管什么时候抛出异常，如果异常处理最终匹配了所有异常类型，代码就会继续执行。**在这种情况下，如果方法结束后没有抛出异常，仍然执行finally块，在return前，它直接跳到finally块来完成目标。

try finally 代码执行过程举例

10. 同步控制指令

java虚拟机支持两种同步结构：==方法级的同步和方法内部一段指令序列的同步==，这两种同步都是使用monitor来支持的。

1. 方法级的同步

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；

当调用方法时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否设置。

• 如果设置了，执行线程将先持有同步锁,然后执行方法。最后在方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放同步锁。
• 在方法执行期间，执行线程持有了同步锁，其他任何线程都无法再获得同一个锁。
• 如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的锁将在异常抛到同步方法之外时自动释放。

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private int i= 0;
public synchronized void add(){
    i++;
}

// 字节码指令 👇
0 aload_0
1 dup
2 getfield #2 <com/atguigu/java1/SynchronizedTest.i>
5 iconst_1
6 iadd
7 putfield #2 <com/atguigu/java1/SynchronizedTest.i>

说明：

这段代码和普通的无同步操作的代码没有什么不同，没有使用 monitorenter 和 monitorexit 进行同步区控制。这是因为，对于同步方法而言，当虚拟机通过方法的访问标示符判断是一个同步方法时，会自动在方法调用前进行加锁，当同步方法执行完毕后，不管方法是正常结束还是有异常抛出，均会由虚拟机释放这个锁。因此，对于同步方法而言，monitorenter 和 monitorexit 指令是隐式存在的，并未直接出现在字节码中。

2. 方法内指定指令序列的同步

同步一段指令集序列：通常是由 java 中的 synchronized 语句块来表示的。jvm 的指令集有 monitorenter 和monitorexit 两条指令来支持 synchronized 关键字的语义。

当一个线程进入同步代码块时，它使用 monitorenter 指令请求进入。如果当前对象的监视器计数器为 0，则它会被准许进入，若为 1，则判断持有当前监视器的线程是否为自己，如果是，则进入，否则进行等待，直到对象的监视器计数器为 0，才会被允许进入同步块。

当线程退出同步块时，需要使用 monitorexit 声明退出。在Java虚拟机中，任何对象都有一个监视器与之相关联，用来判断对象是否被锁定，当监视器被持有后，对象处于锁定状态。

指令 monitorenter 和 monitorexit 在执行时，都需要在操作数栈顶压入对象，之后 monitorenter 和 monitorexit 的锁定和释放都是针对这个对象的监视器进行的。

下图展示了监视器如何保护临界区代码不同时被多个线程访问，只有当线程4离开临界区后，线程1、2、3才有可能进入。

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private Object obj = new Object();
public void subtract() {
    synchronized (obj) {
        i--;
    }
}

// 字节码指令 👇
 0 aload_0
 1 getfield #4 <com/atguigu/java/bytecode02/java1/SynchronizedTest.obj>
 4 dup
 5 astore_1
 6 monitorenter // 对象的监视器计数器为0 进入同步监视器 计数器+1 
 7 aload_0
 8 dup
 9 getfield #2 <com/atguigu/java/bytecode02/java1/SynchronizedTest.i>
12 iconst_1
13 isub
14 putfield #2 <com/atguigu/java/bytecode02/java1/SynchronizedTest.i>
17 aload_1
18 monitorexit // 同步监视器计数器-1 为0时 释放这个对象的监视器
19 goto 27 (+8)
22 astore_2
23 aload_1
24 monitorexit
25 aload_2
26 athrow
27 return