两张图让你快速读懂JVM字节码指令

简介: 很多人可能会觉得JVM字节码很神秘,我们写的一行行代码放到底层竟然可以用一串16进制的数字保存。再到计算机底层竟然可以用0和1执行如何复杂的代码。JVM的设计确实十分巧妙,但对我们几乎所有开发者来说,这些底层的内容我们已经不需要再去掌握了,因此今天我们不去讲JVM字节码究竟是怎么设计的,我们通过最简单的方法来快速读懂JVM字节码。

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本文收录于githubgitee ,里面有我完整的Java系列文章,学习或面试都可以看看哦


(一)概述


很多人可能会觉得JVM字节码很神秘,我们写的一行行代码放到底层竟然可以用一串16进制的数字保存。再到计算机底层竟然可以用0和1执行如何复杂的代码。JVM的设计确实十分巧妙,但对我们几乎所有开发者来说,这些底层的内容我们已经不需要再去掌握了,因此今天我们不去讲JVM字节码究竟是怎么设计的,我们通过最简单的方法来快速读懂JVM字节码。


(二)什么是字节码


我们写的Java代码经过编译之后就会变成一个个.class文件,这就是字节码文件。用一些专门打开.class的工具打开后,可以发现里面就是一串以0xCAFEBABE开头的16进制文件。其实这些十六进制的文件就是Java代码运行的关键。


光看这些字节码肯定是看不懂的,但是我们可以将字节码通过一些工具反编译成我们能看懂的东西。Java本身就提供了反编译工具Javap


(三)Java字节指令码怎么看


3.1 代码编译


为了看懂Java字节指令代码,我先写一段简单的程序:


publicclassMain {
publicstaticintcalculate(){
inta=1;
intb=2;
intc=(a+b)*10;
returnc;
    }
publicstaticvoidmain(String[] args) {
System.out.println(calculate());
    }
}

编译运行之后就会在target目录下生成一个Main.class文件,接着在命令行输入:

javap-cMain.class

指令码就出来了

publicclasscom.javayz.test.Main {
publiccom.javayz.test.Main();
Code:
0: aload_01: invokespecial#1// Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnpublicstaticintcalculate();
Code:
0: iconst_11: istore_02: iconst_23: istore_14: iload_05: iload_16: iadd7: bipush109: imul10: istore_211: iload_212: ireturnpublicstaticvoidmain(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic#2// Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;3: invokestatic#3// Method calculate:()I6: invokevirtual#4// Method java/io/PrintStream.println:(I)V9: return}

刚看到这些指令可能很不熟悉,我在文章的最后添加了一个附录,不会的直接用ctrl+F查询就可以了。这里主要讲一下calculate()这个方法的执行过程。


3.2 基础概念介绍


首先我们需要重新回顾一下Java虚拟机中栈的局部变量表和操作数栈,以及程序计数器。


简单来讲,局部变量表存放了编译器可知的八个基本数据类型、对象引用、和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。


操作数栈用于执行一系列出入栈的操作。


程序计数器的作用可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变计数器的值来选择下一条需要执行的字节码的指令


3.3 图解JVM指令


iconst的意思是将int型常量推到操作数栈栈顶,比如iconst_1就是将第一个int型常量推送到了操作数栈顶


istore的意思是将栈顶int型常量存入第几个变量中,比如istore_0就是将操作数栈栈顶的1存入局部变量表的第一个变量a中


iload的意思是将第i个本地变量推送到栈顶,比如iload_0是将第一个变量推送到操作数栈


前六条命令图解如下


网络异常,图片无法展示
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iadd的意思是将操作数栈顶两个元素相加,并压入栈顶


bipush将单字节的常量值(-128~127)推送至栈顶


imul将栈顶两个元素相乘,并压入栈顶


ireturn返回栈顶元素


后六条命令图解如下


网络异常,图片无法展示
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通过上面两张图,应该可以很清晰地了解到整个字节指令码的方式。


(四)总结


JVM指令集我已经通过附录的形式放在文章末尾,遇到不了解的搜一下就知道了。

不管多复杂的逻辑代码,被编译后就变成了最简单的一些指令命令,有时不知道该感叹是汇编语言太强大还是高级语言太强大。


(五)附录:JVM指令集



指令码助记符说明0x00nop无操作0x01aconst_null将null推送至栈顶0x02iconst_m1将int型-1推送至栈顶0x03iconst_0将int型0推送至栈顶0x04iconst_1将int型1推送至栈顶0x05iconst_2将int型2推送至栈顶0x06iconst_3将int型3推送至栈顶0x07iconst_4将int型4推送至栈顶0x08iconst_5将int型5推送至栈顶0x09lconst_0将long型0推送至栈顶0x0alconst_1将long型1推送至栈顶0x0bfconst_0将float型0推送至栈顶0x0cfconst_1将float型1推送至栈顶0x0dfconst_2将float型2推送至栈顶0x0edconst_0将double型0推送至栈顶0x0fdconst_1将double型1推送至栈顶0x10bipush将单字节的常量值(-128~127)推送至栈顶0x11sipush将一个短整型常量值(-32768~32767)推送至栈顶0x12ldc将int, float或String型常量值从常量池中推送至栈顶0x13ldc_w将int, float或String型常量值从常量池中推送至栈顶(宽索引)0x14ldc2_w将long或double型常量值从常量池中推送至栈顶(宽索引)0x15iload将指定的int型本地变量推送至栈顶0x16lload将指定的long型本地变量推送至栈顶0x17fload将指定的float型本地变量推送至栈顶0x18dload将指定的double型本地变量推送至栈顶0x19aload将指定的引用类型本地变量推送至栈顶0x1aiload_0将第一个int型本地变量推送至栈顶0x1biload_1将第二个int型本地变量推送至栈顶0x1ciload_2将第三个int型本地变量推送至栈顶0x1diload_3将第四个int型本地变量推送至栈顶0x1elload_0将第一个long型本地变量推送至栈顶0x1flload_1将第二个long型本地变量推送至栈顶0x20lload_2将第三个long型本地变量推送至栈顶0x21lload_3将第四个long型本地变量推送至栈顶0x22fload_0将第一个float型本地变量推送至栈顶0x23fload_1将第二个float型本地变量推送至栈顶0x24fload_2将第三个float型本地变量推送至栈顶0x25fload_3将第四个float型本地变量推送至栈顶0x26dload_0将第一个double型本地变量推送至栈顶0x27dload_1将第二个double型本地变量推送至栈顶0x28dload_2将第三个double型本地变量推送至栈顶0x29dload_3将第四个double型本地变量推送至栈顶0x2aaload_0将第一个引用类型本地变量推送至栈顶0x2baload_1将第二个引用类型本地变量推送至栈顶0x2caload_2将第三个引用类型本地变量推送至栈顶0x2daload_3将第四个引用类型本地变量推送至栈顶0x2eiaload将int型数组指定索引的值推送至栈顶0x2flaload将long型数组指定索引的值推送至栈顶0x30faload将float型数组指定索引的值推送至栈顶0x31daload将double型数组指定索引的值推送至栈顶0x32aaload将引用型数组指定索引的值推送至栈顶0x33baload将boolean或byte型数组指定索引的值推送至栈顶0x34caload将char型数组指定索引的值推送至栈顶0x35saload将short型数组指定索引的值推送至栈顶0x36istore将栈顶int型数值存入指定本地变量0x37lstore将栈顶long型数值存入指定本地变量0x38fstore将栈顶float型数值存入指定本地变量0x39dstore将栈顶double型数值存入指定本地变量0x3aastore将栈顶引用型数值存入指定本地变量0x3bistore_0将栈顶int型数值存入第一个本地变量0x3cistore_1将栈顶int型数值存入第二个本地变量0x3distore_2将栈顶int型数值存入第三个本地变量0x3eistore_3将栈顶int型数值存入第四个本地变量0x3flstore_0将栈顶long型数值存入第一个本地变量0x40lstore_1将栈顶long型数值存入第二个本地变量0x41lstore_2将栈顶long型数值存入第三个本地变量0x42lstore_3将栈顶long型数值存入第四个本地变量0x43fstore_0将栈顶float型数值存入第一个本地变量0x44fstore_1将栈顶float型数值存入第二个本地变量0x45fstore_2将栈顶float型数值存入第三个本地变量0x46fstore_3将栈顶float型数值存入第四个本地变量0x47dstore_0将栈顶double型数值存入第一个本地变量0x48dstore_1将栈顶double型数值存入第二个本地变量0x49dstore_2将栈顶double型数值存入第三个本地变量0x4adstore_3将栈顶double型数值存入第四个本地变量0x4bastore_0将栈顶引用型数值存入第一个本地变量0x4castore_1将栈顶引用型数值存入第二个本地变量0x4dastore_2将栈顶引用型数值存入第三个本地变量0x4eastore_3将栈顶引用型数值存入第四个本地变量0x4fiastore将栈顶int型数值存入指定数组的指定索引位置0x50lastore将栈顶long型数值存入指定数组的指定索引位置0x51fastore将栈顶float型数值存入指定数组的指定索引位置0x52dastore将栈顶double型数值存入指定数组的指定索引位置0x53aastore将栈顶引用型数值存入指定数组的指定索引位置0x54bastore将栈顶boolean或byte型数值存入指定数组的指定索引位置0x55castore将栈顶char型数值存入指定数组的指定索引位置0x56sastore将栈顶short型数值存入指定数组的指定索引位置0x57pop将栈顶数值弹出 (数值不能是long或double类型的)
0x58pop2将栈顶的一个(long或double类型的)或两个数值弹出(其它)0x59dup复制栈顶数值并将复制值压入栈顶0x5adup_x1复制栈顶数值并将两个复制值压入栈顶0x5bdup_x2复制栈顶数值并将三个(或两个)复制值压入栈顶0x5cdup2复制栈顶一个(long或double类型的)或两个(其它)数值并将复制值压入栈顶0x5ddup2_x1复制栈顶的一个或两个值,将其插入栈顶那两个或三个值的下面0x5edup2_x2复制栈顶的一个或两个值,将其插入栈顶那两个、三个或四个值的下面0x5fswap将栈最顶端的两个数值互换(数值不能是long或double类型的)
0x60iadd将栈顶两int型数值相加并将结果压入栈顶0x61ladd将栈顶两long型数值相加并将结果压入栈顶0x62fadd将栈顶两float型数值相加并将结果压入栈顶0x63dadd将栈顶两double型数值相加并将结果压入栈顶0x64isub将栈顶两int型数值相减并将结果压入栈顶0x65lsub将栈顶两long型数值相减并将结果压入栈顶0x66fsub将栈顶两float型数值相减并将结果压入栈顶0x67dsub将栈顶两double型数值相减并将结果压入栈顶0x68imul将栈顶两int型数值相乘并将结果压入栈顶0x69lmul将栈顶两long型数值相乘并将结果压入栈顶0x6afmul将栈顶两float型数值相乘并将结果压入栈顶0x6bdmul将栈顶两double型数值相乘并将结果压入栈顶0x6cidiv将栈顶两int型数值相除并将结果压入栈顶0x6dldiv将栈顶两long型数值相除并将结果压入栈顶0x6efdiv将栈顶两float型数值相除并将结果压入栈顶0x6fddiv将栈顶两double型数值相除并将结果压入栈顶0x70irem将栈顶两int型数值作取模运算并将结果压入栈顶0x71lrem将栈顶两long型数值作取模运算并将结果压入栈顶0x72frem将栈顶两float型数值作取模运算并将结果压入栈顶0x73drem将栈顶两double型数值作取模运算并将结果压入栈顶0x74ineg将栈顶int型数值取负并将结果压入栈顶0x75lneg将栈顶long型数值取负并将结果压入栈顶0x76fneg将栈顶float型数值取负并将结果压入栈顶0x77dneg将栈顶double型数值取负并将结果压入栈顶0x78ishl将int型数值左移位指定位数并将结果压入栈顶0x79lshl将long型数值左移位指定位数并将结果压入栈顶0x7aishr将int型数值右(符号)移位指定位数并将结果压入栈顶0x7blshr将long型数值右(符号)移位指定位数并将结果压入栈顶0x7ciushr将int型数值右(无符号)移位指定位数并将结果压入栈顶0x7dlushr将long型数值右(无符号)移位指定位数并将结果压入栈顶0x7eiand将栈顶两int型数值作“按位与”并将结果压入栈顶0x7fland将栈顶两long型数值作“按位与”并将结果压入栈顶0x80ior将栈顶两int型数值作“按位或”并将结果压入栈顶0x81lor将栈顶两long型数值作“按位或”并将结果压入栈顶0x82ixor将栈顶两int型数值作“按位异或”并将结果压入栈顶0x83lxor将栈顶两long型数值作“按位异或”并将结果压入栈顶0x84iinc将指定int型变量增加指定值(i++, i--, i+=20x85i2l将栈顶int型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶0x86i2f将栈顶int型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶0x87i2d将栈顶int型数值强制转换成double型数值并将结果压入栈顶0x88l2i将栈顶long型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶0x89l2f将栈顶long型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶0x8al2d将栈顶long型数值强制转换成double型数值并将结果压入栈顶0x8bf2i将栈顶float型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶0x8cf2l将栈顶float型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶0x8df2d将栈顶float型数值强制转换成double型数值并将结果压入栈顶0x8ed2i将栈顶double型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶0x8fd2l将栈顶double型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶0x90d2f将栈顶double型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶0x91i2b将栈顶int型数值强制转换成byte型数值并将结果压入栈顶0x92i2c将栈顶int型数值强制转换成char型数值并将结果压入栈顶0x93i2s将栈顶int型数值强制转换成short型数值并将结果压入栈顶0x94lcmp比较栈顶两long型数值大小,并将结果(1,0,-1)压入栈顶0x95fcmpl比较栈顶两float型数值大小,并将结果(1,0,-1)压入栈顶;当其中一个数值为NaN时,将-1压入栈顶0x96fcmpg比较栈顶两float型数值大小,并将结果(1,0,-1)压入栈顶;当其中一个数值为NaN时,将1压入栈顶0x97dcmpl比较栈顶两double型数值大小,并将结果(1,0,-1)压入栈顶;当其中一个数值为NaN时,将-1压入栈顶0x98dcmpg比较栈顶两double型数值大小,并将结果(1,0,-1)压入栈顶;当其中一个数值为NaN时,将1压入栈顶0x99ifeq当栈顶int型数值等于0时跳转0x9aifne当栈顶int型数值不等于0时跳转0x9biflt当栈顶int型数值小于0时跳转0x9cifge当栈顶int型数值大于等于0时跳转0x9difgt当栈顶int型数值大于0时跳转0x9eifle当栈顶int型数值小于等于0时跳转0x9fif_icmpeq比较栈顶两int型数值大小,当结果等于0时跳转0xa0if_icmpne比较栈顶两int型数值大小,当结果不等于0时跳转0xa1if_icmplt比较栈顶两int型数值大小,当结果小于0时跳转0xa2if_icmpge比较栈顶两int型数值大小,当结果大于等于0时跳转0xa3if_icmpgt比较栈顶两int型数值大小,当结果大于0时跳转0xa4if_icmple比较栈顶两int型数值大小,当结果小于等于0时跳转0xa5if_acmpeq比较栈顶两引用型数值,当结果相等时跳转0xa6if_acmpne比较栈顶两引用型数值,当结果不相等时跳转0xa7goto无条件跳转0xa8jsr跳转至指定16位offset位置,并将jsr下一条指令地址压入栈顶0xa9ret返回至本地变量指定的index的指令位置(一般与jsr, jsr_w联合使用)0xaatableswitch用于switch条件跳转,case值连续(可变长度指令)0xablookupswitch用于switch条件跳转,case值不连续(可变长度指令)0xacireturn从当前方法返回int0xadlreturn从当前方法返回long0xaefreturn从当前方法返回float0xafdreturn从当前方法返回double0xb0areturn从当前方法返回对象引用0xb1return从当前方法返回void0xb2getstatic获取指定类的静态域,并将其值压入栈顶0xb3putstatic为指定的类的静态域赋值0xb4getfield获取指定类的实例域,并将其值压入栈顶0xb5putfield为指定的类的实例域赋值0xb6invokevirtual调用实例方法0xb7invokespecial调用超类构造方法,实例初始化方法,私有方法0xb8invokestatic调用静态方法0xb9invokeinterface调用接口方法0xbainvokedynamic调用动态链接方法0xbbnew创建一个对象,并将其引用值压入栈顶0xbcnewarray创建一个指定原始类型(如int, float, char…)的数组,并将其引用值压入栈顶0xbdanewarray创建一个引用型(如类,接口,数组)的数组,并将其引用值压入栈顶0xbearraylength获得数组的长度值并压入栈顶0xbfathrow将栈顶的异常抛出0xc0checkcast检验类型转换,检验未通过将抛出ClassCastException0xc1instanceof检验对象是否是指定的类的实例,如果是将1压入栈顶,否则将0压入栈顶0xc2monitorenter获得对象的锁,用于同步方法或同步块0xc3monitorexit释放对象的锁,用于同步方法或同步块0xc4wide扩大本地变量索引的宽度0xc5multianewarray创建指定类型和指定维度的多维数组(执行该指令时,操作栈中必须包含各维度的长度值),并将其引用值压入栈顶0xc6ifnull为null时跳转0xc7ifnonnull不为null时跳转0xc8goto_w无条件跳转0xc9jsr_w跳转至指定32位offset位置,并将jsr_w下一条指令地址压入栈顶============================================0xcabreakpoint调试时的断点标记0xfeimpdep1为特定软件而预留的语言后门0xffimpdep2为特定硬件而预留的语言后门最后三个为保留指令


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