硬核长篇，深入理解 Java 字节码指令

Java 字节码指令是 JVM 体系中非常难啃的一块硬骨头，我估计有些读者会有这样的疑惑，“Java 字节码难学吗？我能不能学会啊？”

讲良心话，不是我谦虚，一开始学 Java 字节码和 Java 虚拟机方面的知识我也感觉头大！但硬着头皮学了一阵子之后，突然就开窍了，觉得好有意思，尤其是明白了 Java 代码在底层竟然是这样执行的时候，感觉既膨胀又飘飘然，浑身上下散发着自信的光芒！

GitHub 开源地址（欢迎 star）：https://github.com/itwanger/jmx-java

Java 官方的虚拟机 Hotspot 是基于栈的，而不是基于寄存器的。

基于栈的优点是可移植性更好、指令更短、实现起来简单，但不能随机访问栈中的元素，完成相同功能所需要的指令数也比寄存器的要多，需要频繁的入栈和出栈。

基于寄存器的优点是速度快，有利于程序运行速度的优化，但操作数需要显式指定，指令也比较长。

Java 字节码由操作码和操作数组成。

• 操作码（Opcode）：一个字节长度（0-255，意味着指令集的操作码总数不可能超过 256 条），代表着某种特定的操作含义。
• 操作数（Operands）：零个或者多个，紧跟在操作码之后，代表此操作需要的参数。

由于 Java 虚拟机是基于栈而不是寄存器的结构，所以大多数指令都只有一个操作码。比如 aload_0（将局部变量表中下标为 0 的数据压入操作数栈中）就只有操作码没有操作数，而 invokespecial #1（调用成员方法或者构造方法，并传递常量池中下标为 1 的常量）就是由操作码和操作数组成的。

01、加载与存储指令

加载（load）和存储（store）相关的指令是使用最频繁的指令，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。

1）将局部变量表中的变量压入操作数栈中

• xload_（x 为 i、l、f、d、a，n 默认为 0 到 3），表示将第 n 个局部变量压入操作数栈中。
• xload（x 为 i、l、f、d、a），通过指定参数的形式，将局部变量压入操作数栈中，当使用这个指令时，表示局部变量的数量可能超过了 4 个

解释一下。

x 为操作码助记符，表明是哪一种数据类型。见下表所示。

像 arraylength 指令，没有操作码助记符，它没有代表数据类型的特殊字符，但操作数只能是一个数组类型的对象。

大部分的指令都不支持 byte、short 和 char，甚至没有任何指令支持 boolean 类型。编译器会将 byte 和 short 类型的数据带符号扩展（Sign-Extend）为 int 类型，将 boolean 和 char 零位扩展（Zero-Extend）为 int 类型。

举例来说。

private void load(int age, String name, long birthday, boolean sex) {
    System.out.println(age + name + birthday + sex);
}

通过 jclasslib 看一下 load() 方法（4 个参数）的字节码指令。

• iload_1：将局部变量表中下标为 1 的 int 变量压入操作数栈中。
• aload_2：将局部变量表中下标为 2 的引用数据类型变量（此时为 String）压入操作数栈中。
• lload_3：将局部变量表中下标为 3 的 long 型变量压入操作数栈中。
• iload 5：将局部变量表中下标为 5 的 int 变量（实际为 boolean）压入操作数栈中。

通过查看局部变量表就能关联上了。

2）将常量池中的常量压入操作数栈中

根据数据类型和入栈内容的不同，此类又可以细分为 const 系列、push 系列和 Idc 指令。

const 系列，用于特殊的常量入栈，要入栈的常量隐含在指令本身。

push 系列，主要包括 bipush 和 sipush，前者接收 8 位整数作为参数，后者接收 16 位整数。

Idc 指令，当 const 和 push 不能满足的时候，万能的 Idc 指令就上场了，它接收一个 8 位的参数，指向常量池中的索引。

• Idc_w：接收两个 8 位数，索引范围更大。
• 如果参数是 long 或者 double，使用 Idc2_w 指令。

举例来说。

public void pushConstLdc() {
    // 范围 [-1,5]
    int iconst = -1;
    // 范围 [-128,127]
    int bipush = 127;
    // 范围 [-32768,32767]
    int sipush= 32767;
    // 其他 int
    int ldc = 32768;
    String aconst = null;
    String IdcString = "沉默王二";
}

通过 jclasslib 看一下 pushConstLdc() 方法的字节码指令。