Java二进制指令代码解析

Java二进制指令代码解析

小注：去年在看《深入解析JVM》书的时候做的一些记录，同时参考了《Java虚拟机规范》。只是对指令的一些列举，加入了一些自己的理解。可以用来查询。

Java二进制指令代码解析
Java源码在运行之前都要编译成为字节码格式（如.class文件），然后由ClassLoader将字节码载入运行。在字节码文件中，指令代码只是其中的一部分，里面还记录了字节码文件的编译版本、常量池、访问权限、所有成员变量和成员方法等信息（详见Java字节码格式详解）。本文主要简单介绍不同Java指令的功能以及在代码中如何解析二进制指令。
Java指令是基于栈的体系结构，大部分的指令默认的操作数在栈中。映像中ARM是基于寄存器的操作指令，而x86好像是混合寄存器和存储器的，发现基于栈的操作指令确实简单，学起来很快。不过不知道这种操作的效率怎么样，以我自己的推测应该是不太好的。对这方面不太了解，随便扯几句。
Java总共有200多条指令，不过很多都是重复的。我的理解，网络是Java一个非常重要的特性，而且Java在设计之初就认为字节码是要在网络中传输的，为了减少网络传输流量，字节码就要尽量设计精简、紧凑。因而Java增加了很多重复指令，比如尽量减少操作数，因而我们会发现Java的很多指令都是没有操作数的；并且指令中的操作数基本上都是当无法将值放到栈中的数据，比如局部变量的索引号和常量池中的索引号。
还有一点需要注意的是，在运行过程中，所有boolean、byte、char、short都是以int类型值存在，因而对这些类型的指令操作很少。然而好像sun实现的虚拟机中。这些类型的数组据说不是以int类型的形式保存的，这个很奇怪。我的理解，以字对齐方式的操作效率会比较高，因而做了这种转换，以空间换时间。
Java指令集（按功能分类）




常量入栈指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


aconst_null



null值入栈。


iconst_m1



-1(int)值入栈。


iconst_0



0(int)值入栈。


iconst_1



1(int)值入栈。


iconst_2



2(int)值入栈。


iconst_3



3(int)值入栈。


iconst_4



4(int)值入栈。


iconst_5



5(int)值入栈。


lconst_0



0(long)值入栈。


lconst_1



1(long)值入栈。


fconst_0



0(float)值入栈。


fconst_1



1(float)值入栈。


fconst_2



2(float)值入栈。


dconst_0



0(double)值入栈。


dconst_1



1(double)值入栈。


bipush

valuebyte

valuebyte值带符号扩展成int值入栈。


sipush

valuebyte1
valuebyte2

(valuebyte1 << | valuebyte2 值带符号扩展成int值入栈。


ldc

indexbyte1

常量池中的常量值（int, float, string reference, object reference）入栈。


ldc_w

indexbyte1
indexbyte2

常量池中常量（int, float, string reference, object reference）入栈。


ldc2_w

indexbyte1
indexbyte2

常量池中常量（long, double）入栈。





局部变量值转载到栈中指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


(wide)aload

indexbyte

从局部变量indexbyte中装载引用类型值入栈。


aload_0



从局部变量0中装载引用类型值入栈。


aload_1



从局部变量1中装载引用类型值入栈。


aload_2



从局部变量2中装载引用类型值入栈。


aload_3



从局部变量3中装载引用类型值入栈。


(wide)iload

indexbyte

从局部变量indexbyte中装载int类型值入栈。


iload_0



从局部变量0中装载int类型值入栈。


iload_1



从局部变量1中装载int类型值入栈。


iload_2



从局部变量2中装载int类型值入栈。


iload_3



从局部变量3中装载int类型值入栈。


(wide)lload

indexbyte

从局部变量indexbyte中装载long类型值入栈。


lload_0



从局部变量0中装载int类型值入栈。


lload_1



从局部变量1中装载int类型值入栈。


lload_2



从局部变量2中装载int类型值入栈。


lload_3



从局部变量3中装载int类型值入栈。


(wide)fload

indexbyte

从局部变量indexbyte中装载float类型值入栈。


fload_0



从局部变量0中装载float类型值入栈。


fload_1



从局部变量1中装载float类型值入栈。


fload_2



从局部变量2中装载float类型值入栈。


fload_3



从局部变量3中装载float类型值入栈。


(wide)dload

indexbyte

从局部变量indexbyte中装载double类型值入栈。


dload_0



从局部变量0中装载double类型值入栈。


dload_1



从局部变量1中装载double类型值入栈。


dload_2



从局部变量2中装载double类型值入栈。


dload_3



从局部变量3中装载double类型值入栈。


aaload



从引用类型数组中装载指定项的值。


iaload



从int类型数组中装载指定项的值。


laload



从long类型数组中装载指定项的值。


faload



从float类型数组中装载指定项的值。


daload



从double类型数组中装载指定项的值。


baload



从boolean类型数组或byte类型数组中装载指定项的值（先转换为int类型值，后压栈）。


caload



从char类型数组中装载指定项的值（先转换为int类型值，后压栈）。


saload



从short类型数组中装载指定项的值（先转换为int类型值，后压栈）。





将栈顶值保存到局部变量中指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


(wide)astore

indexbyte

将栈顶引用类型值保存到局部变量indexbyte中。


astroe_0



将栈顶引用类型值保存到局部变量0中。


astore_1



将栈顶引用类型值保存到局部变量1中。


astore_2



将栈顶引用类型值保存到局部变量2中。


astore_3



将栈顶引用类型值保存到局部变量3中。


(wide)istore

indexbyte

将栈顶int类型值保存到局部变量indexbyte中。


istore_0



将栈顶int类型值保存到局部变量0中。


istore_1



将栈顶int类型值保存到局部变量1中。


istore_2



将栈顶int类型值保存到局部变量2中。


istore_3



将栈顶int类型值保存到局部变量3中。


(wide)lstore

indexbyte

将栈顶long类型值保存到局部变量indexbyte中。


lstore_0



将栈顶long类型值保存到局部变量0中。


lstore_1



将栈顶long类型值保存到局部变量1中。


lstore_2



将栈顶long类型值保存到局部变量2中。


lstroe_3



将栈顶long类型值保存到局部变量3中。


(wide)fstore

indexbyte

将栈顶float类型值保存到局部变量indexbyte中。


fstore_0



将栈顶float类型值保存到局部变量0中。


fstore_1



将栈顶float类型值保存到局部变量1中。


fstore_2



将栈顶float类型值保存到局部变量2中。


fstore_3



将栈顶float类型值保存到局部变量3中。


(wide)dstore

indexbyte

将栈顶double类型值保存到局部变量indexbyte中。


dstore_0



将栈顶double类型值保存到局部变量0中。


dstore_1



将栈顶double类型值保存到局部变量1中。


dstore_2



将栈顶double类型值保存到局部变量2中。


dstore_3



将栈顶double类型值保存到局部变量3中。


aastore



将栈顶引用类型值保存到指定引用类型数组的指定项。


iastore



将栈顶int类型值保存到指定int类型数组的指定项。


lastore



将栈顶long类型值保存到指定long类型数组的指定项。


fastore



将栈顶float类型值保存到指定float类型数组的指定项。


dastore



将栈顶double类型值保存到指定double类型数组的指定项。


bastroe



将栈顶boolean类型值或byte类型值保存到指定boolean类型数组或byte类型数组的指定项。


castore



将栈顶char类型值保存到指定char类型数组的指定项。


sastore



将栈顶short类型值保存到指定short类型数组的指定项。





wide指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


wide



使用附加字节扩展局部变量索引（iinc指令特殊）。





通用（无类型）栈操作指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


nop



空操作。


pop



从栈顶弹出一个字长的数据。


pop2



从栈顶弹出两个字长的数据。


dup



复制栈顶一个字长的数据，将复制后的数据压栈。


dup_x1



复制栈顶一个字长的数据，弹出栈顶两个字长数据，先将复制后的数据压栈，再将弹出的两个字长数据压栈。


dup_x2



复制栈顶一个字长的数据，弹出栈顶三个字长的数据，将复制后的数据压栈，再将弹出的三个字长的数据压栈。


dup2



复制栈顶两个字长的数据，将复制后的两个字长的数据压栈。


dup2_x1



复制栈顶两个字长的数据，弹出栈顶三个字长的数据，将复制后的两个字长的数据压栈，再将弹出的三个字长的数据压栈。


dup2_x2



复制栈顶两个字长的数据，弹出栈顶四个字长的数据，将复制后的两个字长的数据压栈，再将弹出的四个字长的数据压栈。


swap



交换栈顶两个字长的数据的位置。Java指令中没有提供以两个字长为单位的交换指令。





类型转换指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


i2f



将栈顶int类型值转换为float类型值。


i2l



将栈顶int类型值转换为long类型值。


i2d



将栈顶int类型值转换为double类型值。


f2i



将栈顶float类型值转换为int类型值。


f2l



将栈顶float类型值转换为long类型值。


f2d



将栈顶float类型值转换为double类型值。


l2i



将栈顶long类型值转换为int类型值。


l2f



将栈顶long类型值转换为float类型值。


l2d



将栈顶long类型值转换double类型值。


d2i



将栈顶double类型值转换为int类型值。


d2f



将栈顶double类型值转换为float类型值。


d2l



将栈顶double类型值转换为long类型值。


i2b



将栈顶int类型值截断成byte类型，后带符号扩展成int类型值入栈。


i2c



将栈顶int类型值截断成char类型值，后带符号扩展成int类型值入栈。


i2s



将栈顶int类型值截断成short类型值，后带符号扩展成int类型值入栈。





整数运算


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


iadd



将栈顶两int类型数相加，结果入栈。


isub



将栈顶两int类型数相减，结果入栈。


imul



将栈顶两int类型数相乘，结果入栈。


idiv



将栈顶两int类型数相除，结果入栈。


irem



将栈顶两int类型数取模，结果入栈。


ineg



将栈顶int类型值取负，结果入栈。


ladd



将栈顶两long类型数相加，结果入栈。


lsub



将栈顶两long类型数相减，结果入栈。


lmul



将栈顶两long类型数相乘，结果入栈。


ldiv



将栈顶两long类型数相除，结果入栈。


lrem



将栈顶两long类型数取模，结果入栈。


lneg



将栈顶long类型值取负，结果入栈。


(wide)iinc

indexbyte
constbyte

将整数值constbyte加到indexbyte指定的int类型的局部变量中。





浮点运算


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


fadd



将栈顶两float类型数相加，结果入栈。


fsub



将栈顶两float类型数相减，结果入栈。


fmul



将栈顶两float类型数相乘，结果入栈。


fdiv



将栈顶两float类型数相除，结果入栈。


frem



将栈顶两float类型数取模，结果入栈。


fneg



将栈顶float类型值取反，结果入栈。


dadd



将栈顶两double类型数相加，结果入栈。


dsub



将栈顶两double类型数相减，结果入栈。


dmul



将栈顶两double类型数相乘，结果入栈。


ddiv



将栈顶两double类型数相除，结果入栈。


drem



将栈顶两double类型数取模，结果入栈。


dneg



将栈顶double类型值取负，结果入栈。





逻辑运算&#8212;&#8212;移位运算


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


ishl



左移int类型值。


lshl



左移long类型值。


ishr



算术右移int类型值。


lshr



算术右移long类型值。


iushr



逻辑右移int类型值。


lushr



逻辑右移long类型值。





逻辑运算&#8212;&#8212;按位布尔运算


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


iand



对int类型按位与运算。


land



对long类型的按位与运算。


ior



对int类型的按位或运算。


lor



对long类型的按位或运算。


ixor



对int类型的按位异或运算。


lxor



对long类型的按位异或运算。





控制流指令&#8212;&#8212;条件跳转指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


ifeq

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶int类型值为0则跳转。


ifne

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶int类型值不为0则跳转。


iflt

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶int类型值小于0则跳转。


ifle

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶int类型值小于等于0则跳转。


ifgt

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶int类型值大于0则跳转。


ifge

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶int类型值大于等于0则跳转。


if_icmpeq

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶两int类型值相等则跳转。


if_icmpne

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶两int类型值不相等则跳转。


if_icmplt

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶两int类型值前小于后则跳转。


if_icmple

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶两int类型值前小于等于后则跳转。


if_icmpgt

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶两int类型值前大于后则跳转。


if_icmpge

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶两int类型值前大于等于后则跳转。


ifnull

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶引用值为null则跳转。


ifnonnull

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶引用值不为null则跳转。


if_acmpeq

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶两引用类型值相等则跳转。


if_acmpne

branchbyte1
branchbyte2

若栈顶两引用类型值不相等则跳转。





控制流指令&#8212;&#8212;比较指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


lcmp



比较栈顶两long类型值，前者大，1入栈；相等，0入栈；后者大，-1入栈。


fcmpl



比较栈顶两float类型值，前者大，1入栈；相等，0入栈；后者大，-1入栈；有NaN存在，-1入栈。


fcmpg



比较栈顶两float类型值，前者大，1入栈；相等，0入栈；后者大，-1入栈；有NaN存在，-1入栈。


dcmpl



比较栈顶两double类型值，前者大，1入栈；相等，0入栈；后者大，-1入栈；有NaN存在，-1入栈。


dcmpg



比较栈顶两double类型值，前者大，1入栈；相等，0入栈；后者大，-1入栈；有NaN存在，-1入栈。





控制流指令&#8212;&#8212;无条件跳转指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


goto

branchbyte1
branchbyte2

无条件跳转到指定位置。


goto_w

branchbyte1
branchbyte2
branchbyte3
branchbyte4

无条件跳转到指定位置（宽索引）。





控制流指令&#8212;&#8212;表跳转指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


tableswitch

<0-3bytepad>
defaultbyte1
defaultbyte2
defaultbyte3
defaultbyte4
lowbyte1
lowbyte2
lowbyte3
lowbyte4
highbyte1
highbyte2
highbyte3
highbyte4
jump offsets...

通过索引访问跳转表，并跳转。


lookupswitch

<0-3bytepad>
defaultbyte1
defaultbyte2
defaultbyte3
defaultbyte4
npairs1
npairs2
npairs3
npairs4
match offsets

通过键值访问跳转表，并跳转。





控制流指令&#8212;&#8212;异常和finally


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


athrow



抛出异常。


jsr

branchbyte1
branchbyte2

跳转到子例程序。


jsr_w

branchbyte1
branchbyte2
branchbyte3
branchbyte4

跳转到子例程序（宽索引）。


(wide)ret

indexbyte

返回子例程序。





对象操作指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


new

indexbyte1
indexbyte2

创建新的对象实例。


checkcast

indexbyte1
indexbyte

类型强转。


instanceof

indexbyte1
indexbyte2

判断类型。


getfield

indexbyte1
indexbyte2

获取对象字段的值。


putfield

indexbyte1
indexbyte2

给对象字段赋值。


getstatic

indexbyte1
indexbyte2

获取静态字段的值。


putstatic

indexbyte1
indexbyte2

给静态字段赋值。





数组操作指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


newarray

atype

创建type类型的数组。


anewarray

indexbyte1
indexbyte2

创建引用类型的数组。


arraylength



获取一维数组的长度。


multianewarray

indexbyte1
indexbyte2
dimension

创建dimension维度的数组。





方法调用指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


invokespecial

indexbyte1
indexbyte2

编译时方法绑定调用方法。


invokevirtual

indexbyte1
indexbyte2

运行时方法绑定调用方法。


invokestatic

indexbyte1
indexbyte2

调用静态方法。


invokeinterface

indexbyte1
indexbyte2
count
0

调用接口方法。





方法返回指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


ireturn



返回int类型值。


lreturn



返回long类型值。


freturn



返回float类型值。


dreturn



返回double类型值。


areturn



返回引用类型值。


return



void函数返回。





线程同步指令


操作码（助记符）

操作数

描述（栈指操作数栈）


monitorenter



进入并获得对象监视器。


monitorexit



释放并退出对象监视器。
参考《深入解析JVM》 2010年10月6日