21、JVM实战：字节码指令集与解析举例2

二十一、字节码指令集与解析举例2

7、方法调用与返回指令

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指令：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。

举例说明：

invokespecial

invokestatic

invokeinterface

invokevirtual

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

8、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；

• pop：将栈顶的1个Slot数值出栈。例如1个short、int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

• 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；

• 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

• 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

• 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。

示例1：

示例2：

9、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 1）比较指令、2）条件跳转指令、3）比较条件跳转指令、4）多条件分支跳转指令、5）无条件跳转指令等。

比较指令(算术指令)

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 float示，l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。

条件跳转指令

条件跳转指令通常和比较指令结合使用。在条件跳转指令前，一般可以先用比较指令进行栈顶元素的准备，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。

注意：

1、 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；
2、 对于long、float、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（所以条件跳转指令只有int的跳转），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；
3、 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；

示例1：ifeq举例

示例2：ifnonnull举例

示例3：

有人可能会疑惑，输出的应该是boolean类型是数据，但是压入栈中的是数值1，这是因为调用的println方法有很多重载的，在常量池中有具体标识。

而Z就代表的是boolean类型的参数

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。

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。

示例1：

示例2：

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。

示例1：

示例2：

示例3：

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。

• whileTest和forTest的字节码是一样的，区别是i的作用域不同

10、异常处理指令

抛出异常指令

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。

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

示例1：

示例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。

11、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。

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AC_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。

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。

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（可重入锁），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。