Java 指令集概述

一个 JVM 指令由两部分组成，第一部分是一个字节（one-byte）的操作码，第二部分是 0 个或多个提供参数或数据的操作数，许多指令都只有第一部分。

在忽略异常处理的情况下，JVM 解释器通常是在做如下循环：

do {
    自动计算 PC 寄存器,并从 PC 寄存器获取操作码
    如果还有操作数,那么获取操作数
    执行操作
} while (还有更多可以做);

操作数的数量由操作码决定。如果一个操作数的大小大于一个字节，那么使用大端序保存。字节码指令流是单字节（single-byte）对齐的。有两个指令例外：lookupswitch 和 tableswitch，它们被强制为 4 字节（4-byte）对齐。

1. 类型与 JVM

JVM 指令集中的大部分指令编码与它们执行的操作数据类型有关，如： iload 指令读取局部变量的 int 值并压入操作数栈中。fload 指令对 float 类型做了同样的动作。两个指令实现了同样的功能，但是操作码却不同。

对于多数类型指定的指令，指令的类型已经在操作码的字面定义中体现：i 对应 int 操作，l 对应 long，s 对应 short，b 对应 byte，c 对应 char，f 对应 float，d 对应 double，a 对应引用类型。某些类型的指令明确说明类型不在命名中体现，比如 arraylength 指令始终对一个数组对象进行操作。其他一些指令，例如 goto ，一个无条件控制转移，不对类型指定的操作数进行操作。

限定操作数只为一个字节的大小，对 JVM 的指令集的设计也带来了压力。如果每个类型化指令都支持所有Java虚拟机的运行时数据类型，那么就会有比一个字节所能表示的更多的指令。相反，JVM 的指令集为某些操作提供了减少的类型支持。换句话说，指令集是故意不正交的。根据需要，可以使用单独的指令在不支持的和受支持的数据类型之间进行转换。

下面的表格总结了 JVM 指令集支持的类型，如果有些类型对应的操作码是空的，则说明没有支持该类型的指令。比如：int 类型有 iload 指令，而 byte 类型却没有对应的指令。请注意，下面表格中很多操作码都没有与 byte char short 相关的对应，甚至 boolean 类型都没有在表格里。编译器将 byte 和 short 类型通过符号扩展成为了 int，boolean 和 char 通过零扩展成为了 int。也就是说，boolean byte char short 的大多数操作都被当做 int 来对待。

符号扩展：低位数转高位数，在低位数的左边补上低位数的符号位，比如将一个字节扩展为两个字节：0b0000_1010 通过符号扩展成为 0b0000_0000_0000_1010，0b1000_0001 通过符号扩展成为 0b1111_1111_1000_0001。

零扩展：低位数转高位数，在低位数的左边全补 0，比如：0b0000_1010 通过零扩展成为 0b0000_0000_0000_1010，0b1000_0001 通过零扩展成为 0b0000_0000_1000_0001。

某些 JVM 指令并不在意类型，比如 pop 和 swap 指令，它们直接操作操作数栈，而无论栈中的数据类型如何。

2. 加载和存储指令

加载和存储指令在栈帧里的局部变量与操作数栈之间进行传递：

• 加载一个局部变量到操作数栈：iload iload_<n> lload lload_<n> fload float_<n> dload dload_<n> aload aload_<n>
• 将操作数栈中的值保存到局部变量中：istore istore_<n> lstore lstore_<n> fstore fstore_<n> dstore dstore_<n> astore astore_<n>
• 将一个常量加载到操作数栈：bipush sipush ldc ldc_w ldc2_w aconst_null iconst_m1 iconst_<i> lconst_<i> fconst_<f> dconst_<d>
• 使用更宽的索引访问更多的局部变量，或者访问更大的直接操作数：wide

iload_0 和 iload 的意思都是是将局部变量表中的下标 0 条目加载到操作数栈，istore_2 的意思是将操作数栈顶元素弹出并保存到局部变量表下标为 2 的条目。

3. 计算指令

计算指令弹出并计算操作数栈栈顶的两个值，然后将结果压回操作数栈，包括如下指令：

• 加：iadd ladd fadd dadd
• 减：isub lsub fsub dsub
• 乘：imul lmul fmul dmul
• 除：idiv ldiv fdiv ddiv
• 求余：irem lrem frem drem
• 取反：ineg lneg fneg dneg
• 位移：ishl ishr iushr lshl lshr lushr
• 按位或：ior lor
• 按位与：iand land
• 按位异或：ixor lxor
• 局部变量递增：iinc
• 比较：dcmpg dcmpl fcmpg fcmpl lcmp

4. 类型转换指令

类型转换指令允许 JVM 的两个数字类型进行互转，包括以下：

• 低位数转高位数：
  • int 转 long 或 float 或 double：i2l i2f i2d
  • long 转 float 或 double：l2f l2d
  • float 转 double：f2d
• 高位数转低位数：
  • int 转 byte short char：i2b i2s i2c
  • long 转 int：l2i
  • float 转 int long：f2i f2l
  • double 转 int long float：d2i d2l d2f

5. 对象的创建与操作

虽然类实例和数组都是对象，但是 JVM 创建和操作它们的时候使用了不同的指令集：

• 创建类实例：new
• 创建数组：newarray anewarray multianewarray
• 访问类属性（static field）：getstatic putstatic
• 访问成员属性：getfield putfield
• 加载数组中的元素到操作数栈：baload caload saload iaload laload faload daload aaload
• 将操作数栈元素保存到数组中某个元素：bastore castore sastore iastore lastore fastore dastore aastore
• 获取数组的长度：arraylength
• 检查实例类型：instanceof checkcast

6. 操作数栈管理指令

pop pop2 dup dup2 dup_x1 dup2_x1 dup_x2 dup2_x2 swap

7. 控制转移指令

控制转移指令将使 JVM 的执行转向对应的指令，而不是控制转移指令之后的指令：

• 条件转移：ifeq ifne iflt ifle ifgt ifge ifnull ifnonnull if_icmpeq if_icmpne if_icmplt if_icmple if_icmpgt if_icmpge if_acmpeq if_acmpne
• 符合条件分支：tableswitch lookupswitch
• 无条件转移：goto goto_w jsr jsr_w ret

JVM 在条件转移指令集中区分了 int 和引用类型。boolean byte char short 使用 int 指令集进行比较。long float double 的比较使用《3.计算指令》中描述的比较指令先得到一个 int 结果，再根据 int 结果的分支进行跳转。

8. 方法调用和返回指令

由下面 5 中指令来调用方法：

• invokevirtual：调用对象实例的一个指定方法，这是 Java 语言中常见的方法调用；
• invokeinterface：调用接口方法，搜索运行时实现了该接口方法的对象，并调用；
• invokespecial：调用特殊方法，比如实例化方法 <init> 和 <clinit>、私有方法或超类中的方法；
• invokestatic：调用类的静态方法；
• invokedynamic：调用 Lambda 动态绑定方法。
  方法的返回指令分别为：ireturn lreturn freturn dreturn areturn return。

9. 抛出异常

athrow

10. 同步 指令

使用 synchronized 修饰的语句块：monitorenter monitorexit