JVM指令分析实例二（算术运算、常量池、控制结构）

相关实例均使用Oracle JDK 1.8编译，并使用javap生成字节码指令清单。

算术运算

Java虚拟机通常基于操作数栈进行算术运算。只有iinc指令例外，它直接对局部变量进行自增操作。

实例代码

int align2agrain(int i, int grain) {
    return ((i + grain - 1) & ~(grain - 1));
}

字节码指令序列

 

以上指令，并没有出现取反的指令操作。因为JVM并没有提供取反指令，而是使用异或指令来实现取反。

对一个数进行取反，相当于该数的二进制每一位与1进行异或操作。由于-1的补码二进制表示为全部都是1，因此对一个数进行取反，也相当于-1与该数进行异或。

-1的原码、反码和补码表示

[10000001]原=[11111110]反=[11111111]补

异或实现取反

~x = -1^x

访问运行时常量池

实例代码

void useManyNumeric() {
    int i = 100;
    int j = 1000000;
    long l1 = 1;
    long l2 = 0xffffffff;
    double d = 2.2;
}

字节码指令序列

 

ldc、ldc_w：将int、float或String类型常量值从常量池中推送至栈顶。

ldc2_w：将long、double类型常量值从常量池中推送至栈顶。（只有宽索引版本）

其中，ldc_w和ldc2_w属于宽索引指令，即指令对应的（索引值）参数为2个字节。而ldc指令对应的（索引值）参数为1个字节。

当运行时常量池中的常量个数超过256个（1个字节所能代表的数量）时，需要使用支持2个字节索引值的指令ldc_w指令来代替ldc访问常量池。

在局部变量表中，long和double类型的数据占用两个连续的局部变量，并且采用两个局部变量中较小的索引值来定位其数据。
因此，lstore_3、lstore 5、dstore 7 这三个指令实际存入的局部变量索引号分别为3和4、5和6、7和8。（局部变量表的索引值从0开始）

控制结构

Java虚拟机会根据数据类型的变化来生成不同的条件跳转语句。

while实例1

void whileInt() {
    int i = 0;
    while (i < 100) {
        i++;
    }
}

字节码指令序列

 

iinc用于实现局部变量的自增操作。在所有字节码指令中，只有该指令可直接用于操作局部变量。

对于循环的实现，将条件判断放在循环的最前面不是更易于理解，为什么要放在最后面？让我们来看看放在最前面的指令序列：

2 iload_1
3 bipush 100
5 if_icmpge 14
8 iinc 1,1
11 goto 2

显然，两种实现方式第1次循环都要执行5条执行。但对于后续的循环，前者只需要执行4条指令，而后者则需要执行5条指令。因此，将条件判断放在循环的最后面可以更高效的执行循环。

while实例2

void whileDouble() {
    double i = 0;
    while (i < 100.1) {
        i++;
    }
}

字节码指令序列

 

由于iinc只针对int类型的局部变量进行自增操作，JVM并没有提供相应的指令来操作double类型。因此，需要借助dadd来实现double类型的自增操作。

同样，对于数值类型，以if开头的比较跳转指令，都只支持int类型（对于非数值类型，if比较跳转指令还支持引用类型数值）。因此，JVM另外提供了dcmpg、dcmpl来比较两个double类型数值的大小，然后将比较结果（1,0,-1）压入栈顶。最后，再使用int类型的if判断指令来进行判断跳转。

dcmpg与dcmpl的区别仅在于，当比较的其中一个值为NaN时，dcmpg将1压入栈顶，而dcmpl将-1压入栈顶。

ldc相关指令都是将常量值从常量池中推至栈顶，前面"访问运行时常量池"一节已经介绍过了。

对于for循环分析，请看第一篇：JVM指令分析实例一（常量、局部变量、for循环）

if实例1

int lessThan100(double d) {
    if (d < 100.0) {
        return 1;
    } else {
        return -1;
    }
}

字节码指令序列

 

if实例2

int greaterThan100(double d) {
    if (d > 100.0) {
        return 1;
    } else {
        return -1;
    }
}

字节码指令序列

 

if实例2与if实例1的差别仅在于比较符号由小于号改为大于号，因此ifge指令也相应的变成ifle指令。

如果细心一点，还会发现一个差异，double比较指令由dcmpg变成了dcmpl。

那么，JVM在什么情况下使用dcmpg，什么情况下又会使用dcmpl呢？为了理解这一点，我们需要先回顾一下浮点数中的NaN值。

Java虚拟机关于浮点数的规范

浮点类型包含float和double类型两种，32位单精度和64位双精度与IEEE 754格式的取值与操作是一致的。

NaN值用于表示某此无效的运算操作，例如0除以0等情况。

只要有操作数是NaN，那么对它进行任何数值比较和等值测试都会返回false。任何数值与NaN进行不等值比较都会返回true。

有了以上知识，我们再回到例子来分析一下。

我们知道，dcmpg与dcmpl的作用都是比较两个double类型数值的大小，并将结果（1,0,-1）压入栈顶。区别仅在于，当比较的其中一个值为NaN时，dcmpg将1压入栈顶，而dcmpl将-1压入栈顶。

对于 if (d < 100.0) {}，隐含了两个条件，一个是d必须小于100.0，另一个是d不能为NaN（如果为NaN会返回false）。因此，NaN属于该条件之外的情况。

当 if (d < 100.0) {} 成立时，执行比较指令之后结果为-1。由于满足该条件时d不能为NaN，显然当d为NaN时比较结果不能为-1。因此比较指令排除dcmpl，只能使用dcmpg指令。

维基百科对NaN的定义

NaN（Not a Number，非数）是计算机科学中数值数据类型的一类值，表示未定义或不可表示的值。常在浮点数运算中使用。首次引入NaN的是1985年的IEEE 754浮点数标准。

返回NaN的运算有如下三种：

 

参考

《Java虚拟机规范》（Java SE 8版）

NaN：https://zh.wikipedia.org/wiki/NaN

 

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