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jvm位元組碼淺析

阿新 • • 發佈：2018-11-26

本文通過一個簡單的例子，分析jvm位元組碼的一些基本的概念。
例子：

public static void main(String args) {
		int a=2;
		int b=3;
		int c = a + b;
		System.out.println(c);
	}

將它編譯為class檔案，通過javap檢視位元組碼並輸出到Test.txt裡面：javap -verbose Test.class >>Test.txt
看到的是：

Classfile /F:/code/java/test/out/production/test/Test.class
  Last modified Nov 18, 2018; size 544 bytes
  MD5 checksum c0b35e5d4791fdaa4f540b3c11e5afc0
  Compiled from "Test.java"
public class Test
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #5.#23         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #24.#25        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Methodref          #26.#27        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #4 = Class              #28            // Test
   #5 = Class              #29            // java/lang/Object
   #6 = Utf8               <init>
   #7 = Utf8               ()V
   #8 = Utf8               Code
   #9 = Utf8               LineNumberTable
  #10 = Utf8               LocalVariableTable
  #11 = Utf8               this
  #12 = Utf8               LTest;
  #13 = Utf8               main
  #14 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #15 = Utf8               args
  #16 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #17 = Utf8               a
  #18 = Utf8               I
  #19 = Utf8               b
  #20 = Utf8               c
  #21 = Utf8               SourceFile
  #22 = Utf8               Test.java
  #23 = NameAndType        #6:#7          // "<init>":()V
  #24 = Class              #30            // java/lang/System
  #25 = NameAndType        #31:#32        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #26 = Class              #33            // java/io/PrintStream
  #27 = NameAndType        #34:#35        // println:(I)V
  #28 = Utf8               Test
  #29 = Utf8               java/lang/Object
  #30 = Utf8               java/lang/System
  #31 = Utf8               out
  #32 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #33 = Utf8               java/io/PrintStream
  #34 = Utf8               println
  #35 = Utf8               (I)V
{
  public Test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   LTest;

  public static void main(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2
         1: istore_1
         2: iconst_3
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        11: iload_3
        12: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        15: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 2
        line 5: 4
        line 6: 8
        line 7: 15
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      16     0  args   Ljava/lang/String;
            2      14     1     a   I
            4      12     2     b   I
            8       8     3     c   I
}
SourceFile: "Test.java"

我們一步步分析這裡面的內容
Classfile類檔案的內容，接下去那些都是一些基本資訊。
然後看Constant pool，常量池。

常量池

我們經常聽說常量池，但是具體不知道是什麼，這裡就是常量池，在官方文件中，有一些對常量池的介紹：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.4
裡面定義了很多型別的常量：
在這裡插入圖片描述
我們的程式碼裡面有方法的引用：是常量1，指向常量5.常量23，這是個建構函式；
也有欄位引用Fileldref，還有類的引用Class等等，稍後我們就會使用到這些常量。
接下去看到了建構函式，建構函式我們分析完了main方法來看就很容易了，所以不分析。main方法裡面有個descriptor，包含了欄位描述和方法描述符：

欄位描述符

描述符是這個：(Ljava/lang/String;)V，這個Ljava/lang/String代表什麼意思呢？看官方文件：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.3.3。看到這裡又一個表：
在這裡插入圖片描述
L代表一個物件的引用。那麼B代表byte，C代表char，I代表Integer等，還有陣列是用[代表等等，後面我們還會看到。

方法描述符

剛剛：(Ljava/lang/String;)V這裡我們知道了Ljava/lang/String代表了String物件的引用，剩下的看方法描述符的官網：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.3.3。


在這裡插入圖片描述
我們可以知道V代表了void也就是返回空值。
接下去的flags也不需要解釋了，就是public和static。

code程式碼

接下去就是我們的code程式碼，首先我們要知道，我們的jvm的程式碼是基於棧的，不像x86系統基於暫存器的。

    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2
         1: istore_1
         2: iconst_3
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        11: iload_3
        12: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        15: return

第一行的stack就是棧的深度2，locals就是本地變量表（下面還有講解），本地變量表的最大長度（slot為單位），64位是2，其他是1，它的索引從0開始，如果是非static方法，索引0就代表this，後面是入參，再後面是本地變數。args_size=1代表了引數有一個。
一行行解釋。如果有位元組碼指令看不懂，參考官方文件：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html

  • iconst_2就是把常量2壓入棧，i是integer型別，const就是常量。此時棧元素個數為1，本地變量表元素個數為1（因為有一個入參args）
  • istore_1，就是把棧的元素放到本地變量表。此時棧元素個數為0，本地變量表元素個數為2。int a=2;這句程式碼執行完畢。
  • iconst_3，把常量3壓入棧。此時棧元素個數為1，本地變量表元素個數為2.
  • istore_2，把棧的元素放到本地變量表。此時棧元素個數為0，本地變量表元素個數為3。int b=3;這句程式碼執行完畢。
  • iload_1，把本地表量表索引為1的數壓入棧裡面。此時棧元素個數為1，本地表量表元素個數為3.
  • iload_2，把本地表量表索引為2的數壓入棧裡面。此時棧元素個數為2，本地標量表元素個數為3.
  • iadd，把棧裡面的兩個元素出棧之後並相加，把相加的數放回到棧裡面。此時棧元素個數為1，值為5，本地表量表元素個數為3.
  • istore_3，把棧裡面的元素放到本地變量表的索引為3的位置。此時棧元素個數為0，本地表量元素個數為4。此時程式碼int c=a+b執行完畢。
  • getstatic #2，把常量池裡面第二個元素讀取出來，這是一個靜態filed：java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;然後把這個filed放到棧裡面。此時棧元素個數為1，值就是放進去的filedref，本地表量元素個數為4。
  • iload_3，把本地變量表裡面索引為3的元素放到棧裡面。此時棧元素個數為2，一個是filedref，一個是值5，本地表量元素個數為4，分別為args，2，3，5。
  • invokevirtual #3 執行常量池裡面3號方法：java/io/PrintStream.println:(I)V。此時棧被清空，元素個數為0，本地變量表的個數為4。這個程式碼System.out.println©;執行完畢。
  • return 清空本地表量表並返回。此時棧元素格式為0，本地變量表元素個數為0。方法返回。

LineNumberTable

官方文件：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.7.12
沒什麼好說吧，就是程式碼的第3行對應了我們編譯出來程式碼的第0行，程式碼的第4行對應了編譯出來程式碼的第2行，以此類推。這裡也是比較清晰的。

LocalVariableTable

這個就是我們聽說很多次的本地變量表：

        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      16     0  args   Ljava/lang/String;
            2      14     1     a   I
            4      12     2     b   I
            8       8     3     c   I

官方文件：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.6.1。
通過code的分析，我們知道本地標量表有4個變數，所以有4行，有4個slot。由於是64位系統，每個slot大小是2，裡面的元素簽名分別是string（傳進去的引數）、Integer、Integer、Integer。
這段程式碼就簡單的分析完畢，以後我們會更加深入分析別的一些情形。

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