Java位元組碼指令集的使用詳細

Java虛擬機器指令由一個位元組長度的、代表某種特定含義的作業碼(Opcode)以及其後的零個至多個代表此巨集指令引數的運算元構成。虛擬機器中許多指令並不包含運算元，只有一個作業碼。若忽略異常，JVM解譯器使用一下為代碼即可有效工作。 複製代碼 代碼如下:do{
自動計算PC寄存器以及從PC寄存器的位置取出作業碼
if(存在運算元) 取出運算元;
執行作業碼所定義的操作;
}while(處理下一次迴圈)

運算元的數量以及長度，取決於作業碼，若一個運算元長度超過了一個位元組，將會以Big-Endian順序儲存(高位在前位元組碼)，其值應為(byte1<<8)|byte2。

位元組碼指令流是單位元組對齊，只有"tableswitch"和"lookupswitch"兩指令例外，它們的運算元比較特殊，以4位元組為界限劃分的，需要預留出相應的空位來實現對齊。

限制Java虛擬機器作業碼的長度為一個位元組，且放棄編譯後代碼的參數長度對齊，是為了獲得短小精乾的編譯代碼，即使可能會讓JVM實現付出一定效能成本為代價。由於作業碼只能有一個位元組長度，故限制了指令集的數量，又沒有假設資料是對齊好的，意味著資料超過一個位元組時，不得不從位元組中重建出具體的資料結構，會損失一些效能。
資料類型與Java虛擬機器

在JVM中的指令集中，大多數指令包含了其操作對應的資料類型資訊。如iload指令從局部變數表中載入int型的資料到運算元棧中，而fload載入的是float類型的資料。

對於大部分與資料類型相關的位元組碼指令，他們的作業碼助記符都有特殊的字元來表明：i代表int類型，l代表long，s代表short，b代表 byte，c代表char，f代表float，d代表double，a代表reference。有一些單獨指令可以在必要的時候用來將一些不不支援的類型轉換為可被支援的類型。
載入和儲存指令

載入和儲存指令用於將資料從棧幀的局部變數表和運算元棧之間來回傳輸。
1)將一個局部變數載入到運算元棧的指令包括：iload,iload_<n>，lload、lload_<n>、float、 fload_<n>、dload、dload_<n>，aload、aload_<n>。
2)將一個數值從運算元棧儲存到局部變數標的指令：istore,istore_<n>,lstore,lstore_<n>,fstore,fstore_<n>,dstore,dstore_<n>,astore,astore_<n>
3)將常量載入到運算元棧的指令：bipush,sipush,ldc,ldc_w,ldc2_w,aconst_null,iconst_ml,iconst_<i>,lconst_<l>,fconst_<f>,dconst_<d>
4)局部變數表的訪問索引指令:wide
一部分以角括弧結尾的指令代表了一組指令，如iload_<i>，代表了iload_0,iload_1等，這幾組指令都是帶有一個運算元的通用指令。
運算指令

算術指令用於對兩個運算元棧上的值進行某種特定運算，並把結果重新存入到操作棧頂。
1)加法指令:iadd,ladd,fadd,dadd
2)減法指令:isub,lsub,fsub,dsub
3)乘法指令:imul,lmul,fmul,dmul
4)除法指令:idiv,ldiv,fdiv,ddiv
5)求餘指令:irem,lrem,frem,drem
6)取反指令:ineg,leng,fneg,dneg
7)位移指令:ishl,ishr,iushr,lshl,lshr,lushr
8)按位或指令:ior,lor
9)按位與指令:iand,land
10)按位異或指令:ixor,lxor
11)局部變數自增指令:iinc
12)比較指令:dcmpg,dcmpl,fcmpg,fcmpl,lcmp

Java虛擬機器沒有明確規定整型資料溢出的情況，但規定了處理整型資料時，只有除法和求餘指令出現除數為0時會導致虛擬機器拋出異常。

載入和儲存指令

載入和儲存指令用於將資料從哦你哦過棧幀的局部變數表和運算元棧之間來回傳輸。

1)將一個局部變數載入到運算元棧的指令包括：iload,iload_<n>，lload、lload_<n>、float、 fload_<n>、dload、dload_<n>，aload、aload_<n>。
2)將一個數值從運算元棧儲存到局部變數標的指令：istore,istore_<n>,lstore,lstore_<n>,fstore,fstore_<n>,dstore,dstore_<n>,astore,astore_<n>
3)將常量載入到運算元棧的指令：bipush,sipush,ldc,ldc_w,ldc2_w,aconst_null,iconst_ml,iconst_<i>,lconst_<l>,fconst_<f>,dconst_<d>
4)局部變數表的訪問索引指令:wide
一部分以角括弧結尾的指令代表了一組指令，如iload_<i>，代表了iload_0,iload_1等，這幾組指令都是帶有一個運算元的通用指令。
運算指令

算術指令用於對兩個運算元棧上的值進行某種特定運算，並把結果重新存入到操作棧頂。
1)加法指令:iadd,ladd,fadd,dadd
2)減法指令:isub,lsub,fsub,dsub
3)乘法指令:imul,lmul,fmul,dmul
4)除法指令:idiv,ldiv,fdiv,ddiv
5)求餘指令:irem,lrem,frem,drem
6)取反指令:ineg,leng,fneg,dneg
7)位移指令:ishl,ishr,iushr,lshl,lshr,lushr
8)按位或指令:ior,lor
9)按位與指令:iand,land
10)按位異或指令:ixor,lxor
11)局部變數自增指令:iinc
12)比較指令:dcmpg,dcmpl,fcmpg,fcmpl,lcmp

Java虛擬機器沒有明確規定整型資料溢出的情況，但規定了處理整型資料時，只有除法和求餘指令出現除數為0時會導致虛擬機器拋出異常。
類型轉換指令

類型轉換指令將兩種Java虛擬機器數實值型別相互轉換，這些操作一般用於實現使用者代碼的顯式類型轉換操作。
JVM支援寬化類型轉換(小範圍類型向大範圍類型轉換)：
1)int類型到long,float,double類型
2)long類型到float,double類型
3)float到double類型

窄花類型轉換指令:i2b,i2c,i2s,l2i,f2i,f2l,d2l和d2f，窄化類型轉換可能會導致轉換結果產生不同的加號或減號，不同數量級，轉換過程可能會導致數值丟失精度。如int或long類型轉化整數類型T時，轉換過程是僅僅丟棄最低位N個位元組意外的內容(N是類型T的資料類型長度)

對象建立與操作

雖然類執行個體和數組都是對象，Java虛擬機器對類執行個體和數組的建立與操作使用了不同的位元組碼指令。
1)建立執行個體的指令:new
2)建立數組的指令:newarray,anewarray,multianewarray
3)訪問欄位指令:getfield,putfield,getstatic,putstatic
4)把數組元素載入到運算元棧指令:baload,caload,saload,iaload,laload,faload,daload,aaload
5)將運算元棧的數值儲存到數組元素中執行:bastore,castore,castore,sastore,iastore,fastore,dastore,aastore
6)取數組長度指令:arraylength
7)檢查執行個體類型指令:instanceof,checkcast
運算元棧管理指令

直接操作運算元棧的指令：pop,pop2,dup,dup2,dup_x1,dup2_x1,dup_x2,dup2_x2和swap
控制轉移指令

讓JVM有條件或無條件從指定指令而不是控制轉移指令的下一條指令繼續執行程式。控制轉移指令包括：
1)條件分支:ifeq,iflt,ifle,ifne,ifgt,ifge,ifnull,ifnotnull,if_cmpeq,if_icmpne,if_icmlt,if_icmpgt等

2)複合條件分支:tableswitch,lookupswitch

3)無條件分支:goto,goto_w,jsr,jsr_w,ret

JVM中有專門的指令集處理int和reference類型的條件分支比較操作，為了可以無明顯標示一個實體值是否是null,有專門的指令檢測null 值。boolean類型和byte類型,char類型和short類型的條件分支比較操作，都使用int類型的比較指令完成，而 long,float,double條件分支比較操作，由相應類型的比較運算指令，運算指令會返回一個整型值到運算元棧中，隨後再執行int類型的條件比較操作完成整個分支跳轉。各種類型的比較都最終會轉化為int類型的比較操作。
方法調用和返回指令

invokevirtual指令:調用對象的執行個體方法，根據對象的實際類型進行指派(虛擬機器指派)。
invokeinterface指令:調用介面方法，在運行時搜尋一個實現這個介面方法的對象，找出合適的方法進行調用。
invokespecial:調用需要特殊處理的執行個體方法，包括執行個體初始化方法，私人方法和父類方法
invokestatic:調用類方法(static)
方法返回指令是根據傳回值的類型區分的，包括ireturn(傳回值是boolean,byte,char,short和 int),lreturn,freturn,drturn和areturn，另外一個return供void方法，執行個體初始化方法，類和介面的類初始化i 方法使用。

同步

JVM支援方法級同步和方法內部一段指令序列同步，這兩種都是通過moniter實現的。

方法級的同步是隱式的，無需通過位元組碼指令來控制，它實現在方法調用和返回操作中。虛擬機器從方法常量池中的方法標結構中的 ACC_SYNCHRONIZED標誌區分是否是同步方法。方法調用時，調用指令會檢查該標誌是否被設定，若設定，執行線程持有moniter，然後執行方法，最後完成方法時釋放moniter。

同步一段指令集序列，通常由synchronized塊標示，JVM指令集中有monitorenter和monitorexit來支援synchronized語義。

結構化鎖定是指方法調用期間每一個monitor退出都與前面monitor進入相匹配的情形。JVM通過以下兩條規則來保證結結構化鎖成立(T代表一線程，M代表一個monitor)：

1)T在方法執行時持有M的次數必須與T在方法完成時釋放的M次數相等

2)任何時刻都不會出現T釋放M的次數比T持有M的次數多的情況