JVM学习-字节码指令集(三)

news2024/12/23 18:11:57

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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，可以用于直接操作数栈的指令

将一个或两个元素从栈顶弹出，并且直接废弃：pop,pop2
复制栈顶一个或两个数值并将复制值成双份的复制值重新压入栈顶：dup,dup2,dup_x1,dup_x1,dup_x2,dup_x2
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,是一个非常特殊指令，它的字节码为0x00。和汇编语言中的nop一样，表示什么都不做，这条指令一般可用于调试，占位等

上述指令属于通用型，对栈的压入或弹出无需指明数据类型
说明

不带_x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可1个reference类型数据
dup2开头的指令用于复制2个Slot的数据，如1个long,2个int或1个int+1个float类型数据

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,dup_x1,dup_x2,dup_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

pop：将栈顶的1个Slot数值出栈，如1个short类型数值
pop2：将栈顶的2个Slot数值出栈，如1个double类型数值，或2个int类型数值

//可以编译后，通过IDEA的jclasslib插件查看字节码
public class StackOperateTest {
    public void print() {
        Object obj = new Object();
        //String info = obj.toString();
        obj.toString();
    }
    public void foo() {
        bar();
    }
    public long bar() {
        return 0;
    }
    public long nextIndex() {
        return index ++;
    }
    private long index = 0;
}

控制转移指令

比较指令

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
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，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dcmpl和dcmpg也是类似的，根据其命名可以推测其含义
指令lcmp针对long型整数，由于long整数没有NaN值，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，设栈顶的元素为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-1,两个指令不同之处在于，如遇到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，在条件跳转执行前，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：ifeq,iflt,ifle,ifne,ifgt,ifge,ifnull,ifnonnull，这些指令都接收两个字节的操作数，用于跳转的位置(16位符号整数作为当前位置的offset)
它们统一含义为：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：

对于boolan,byte,char,short类型的条件分支比较操作，都使用int类型比较指令完成
对于long,float,double类型的条件分支比较操作，则会执行相应类型的比较运算指令，运算指令会返回一个整数值到操作数栈中，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
由于各种类型的比较最终会转为int类型的比较操作，所以JVM提供的int类型的条件分支指令是最为丰富和强大的

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,if_icmpge,if_acmpeq和if_acmpne
其中指令助词符加上"if_"后，以字符i开头的指令针对int型整数操作(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

//可通过jclasslib插件查看字节码
 public void ifcompare1() {
        int i = 10;
        int j = 20;
        System.out.println(i < j);
    }
    public void ifcompare2() {
        short s1 = 9;
        byte b1 = 20;
        System.out.println(s1 > b1);
    }
    public void ifcompare3() {
        Object obj1 = new Object();
        Object obj2 = new Object();
        System.out.println(obj1 == obj2);
        System.out.println(obj1 != obj2);
    }
    //ifcompare3字节码
     0 new #10 <java/lang/Object>
 3 dup
 4 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init>>
 7 astore_1
 8 new #10 <java/lang/Object>
11 dup
12 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init>>
15 astore_2
16 getstatic #4 <java/lang/System.out>
19 aload_1
20 aload_2
21 if_acmpne 28 (+7)
24 iconst_1
25 goto 29 (+4)
28 iconst_0
29 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>
32 getstatic #4 <java/lang/System.out>
35 aload_1
36 aload_2
37 if_acmpeq 44 (+7)    //比较相等时跳转，见上图
40 iconst_1
41 goto 45 (+4)
44 iconst_0
45 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>
48 return

多条件分支跳转指令

多条件分支跳转指令是专门为switch-case语句设计的，主要有tableswitch和lookupswitch

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，因此效率较高
lookupswitch内部存放着各个离散的case-offset对，每次执行都要搜索全部的case-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

指令tableswitch的case是连续的，只需要记录最低值和最高值，以及每一个项对应的offset偏移量，根据给定index值通过简单计算可直接定位offset

public void switch1(int select) {
        int num;
        switch (select) {
            case 1:
                num = 10;
                break;
            case 2:
                num = 20;
                break;
            case 3:
                num = 30;
                break;
            default:
                num = 40;
        }
    }
//--字节码
 0 iload_1
 1 tableswitch 1 to 3	1:  28 (+27)    //switch... case 1-3
	2:  34 (+33)
	3:  40 (+39)
	default:  46 (+45)
28 bipush 10
30 istore_2
31 goto 49 (+18)
34 bipush 20
36 istore_2
37 goto 49 (+12)
40 bipush 30
42 istore_2
43 goto 49 (+6)
46 bipush 40
48 istore_2
49 return

public void switch2(int select) {
        int num;
        switch (select) {
            case 100:
                num = 10;
                break;
            case 500:
                num = 20;
                break;
            case 200:
                num = 30;
                break;
            default:
                num = 40;
        }
    }
    
//字节码
 0 iload_1
 1 lookupswitch 3
	100:  36 (+35)
	200:  48 (+47)
	500:  42 (+41)
	default:  54 (+53)
36 bipush 10
38 istore_2
39 goto 57 (+18)
42 bipush 20
44 istore_2
45 goto 57 (+12)
48 bipush 30
50 istore_2
51 goto 57 (+6)
54 bipush 40
56 istore_2
57 return