什么是 JVM 字节码?深度剖析字节码工作原理!
嗨,你好啊,我是猿java
作为 Java程序员都知道 Java是跨平台的语言,编译一次到处运行,这得益于 JVM字节码,这篇文章,我们将一起分析什么是 JVM字节码以及 JVM字节码是如何工作的?
什么 JVM 字节码?
Java 源代码经过编译器编译后,就会生成 JVM
字节码,它是一种基于栈的低级、中立于平台的指令架构,每个字节码指令都会在 JVM
上执行一系列的操作,如加载、存储、运算、跳转等。它使用基于操作数栈和局部变量表的执行模型。
JVM
字节码具有以下特点:
- 独立于具体的硬件和操作系统,不同平台上的
JVM
可以解释和执行相同的字节码文件。 - 相对于机器码和源代码,
JVM
字节码是一种更高级别的抽象,并且比机器码更容易阅读和编写。 JVM
字节码通过运行时的即时编译器或解释器执行。
因此,只要在不同平台上安装相应的 JVM,就能在这些平台上运行相同的字节码,这种特性为 Java 程序提供了很高的可移植性和兼容性。值得注意的是,其他编程语言也可以编译成 JVM 字节码,利用 JVM 的优势。这些编程语言叫做基于 JVM 的语言,例如 Kotlin、Groovy 等。
如何查看 JVM 字节码?
通过 javap -c ClassName
指令就可以查看 JVM字节码,为了更好的说明,下面通过一个简单的 Java程序和对应的 JVM
字节码示例来进行演示:
示例代码
如下代码,在控制台输出“Hello, World”:
1 | public class HelloWorld { |
使用 javac
命令编译上述 Java 源代码后会生成一个 HelloWorld.class 文件,然后使用javap -c HelloWorld
命令查看字节码,内容如下:
1 | Compiled from "HelloWorld.java" |
字节码解释
1.构造方法 HelloWorld()
aload_0
: 加载局部变量表中第一个变量(即this引用)。invokespecial
#1: 调用父类(java/lang/Object)的构造方法。return
: 从构造方法返回。
2. main方法
getstatic
#2: 获取静态字段java/lang/System.out,它是一个 PrintStream 对象。ldc #3
: 将常量池中索引为3的项(即字符串”Hello, World!”)加载到操作数栈。invokevirtual #4
: 调用 PrintStream 的 println 方法,参数是栈顶的字符串。return
: 从main方法返回。
3. 关键字节码指令解析
aload_0
: 加载局部变量表中索引为 0的引用类型变量到操作数栈。invokespecial
: 调用实例初始化方法和私有方法。getstatic
: 获取静态字段的值并将其压入操作数栈。ldc
: 将常量池中的常量加载到操作数栈。invokevirtual
: 调用对象的实例方法,方法的选择是基于对象的运行时类型。
通过这个示例,我们可以看到 Java源代码被编译成 JVM 字节码后是什么样子。
JVM字节码指令集
通过上述查看 JVM
字节码的示例,我们可以看到很多 JVM
内部的指令,比如加载、存储、运算、跳转等。JVM
字节码指令集(Bytecode Instruction Set)是 JVM
用来执行 Java 程序的指令集合,每条字节码指令由一个字节的操作码(opcode)和可选的操作数组成。
以下是 JVM
字节码指令集的一些主要类别和具体指令:
加载和存储指令
加载和存储指令,全称 Load and Store Instructions,包含以下几个指令:
aload
: 从局部变量表加载引用类型变量到操作数栈。astore
: 将操作数栈顶的引用类型变量存储到局部变量表。iload
: 从局部变量表加载整数类型变量到操作数栈。istore
: 将操作数栈顶的整数类型变量存储到局部变量表。dload, fload, lload
: 加载双精度浮点数、单精度浮点数和长整数类型变量。dstore, fstore, lstore
: 存储双精度浮点数、单精度浮点数和长整数类型变量。
算术运算指令
算术运算指令,全称 Arithmetic Instructions,包含以下几个指令:
iadd
: 对栈顶的两个整数进行加法运算。isub
: 对栈顶的两个整数进行减法运算。imul
: 对栈顶的两个整数进行乘法运算。idiv
: 对栈顶的两个整数进行除法运算。iinc
: 对局部变量表中的整数变量进行自增。dadd, fadd, ladd
: 加法运算(双精度浮点数、单精度浮点数、长整数)。dsub, fsub, lsub
: 减法运算(双精度浮点数、单精度浮点数、长整数)。
类型转换指令
类型转换指令,全称 Type Conversion Instructions,包含以下几个指令:
i2d
: 整数转双精度浮点数。i2f
: 整数转单精度浮点数。i2l
: 整数转长整数。d2i, f2i, l2i
: 转换为整数。
对象操作指令
对象操作指令,全称 Object Manipulation Instructions,包含以下几个指令:
new
: 创建一个新的对象实例。newarray
: 创建一个新的数组。anewarray
: 创建一个新的引用类型数组。checkcast
: 检查对象是否为某一类型的实例。instanceof
: 判断对象是否是某一类型的实例。
方法调用和返回指令
方法调用和返回指令,全称 Method Invocation and Return Instructions,包含以下几个指令:
invokestatic
: 调用静态方法。invokevirtual
: 调用实例方法,根据对象的实际类型进行分派。invokespecial
: 调用实例初始化方法、私有方法和父类方法。invokeinterface
: 调用接口方法。return
: 从方法返回(无返回值)。ireturn, dreturn, freturn, lreturn, areturn
: 从方法返回(返回值为整数、双精度浮点数、单精度浮点数、长整数、引用类型)。
控制流指令
控制流指令,全称 Control Flow Instructions,包含以下几个指令:
goto
: 无条件跳转。ifeq
: 如果栈顶整数为0,则跳转。ifne
: 如果栈顶整数不为0,则跳转。iflt, ifge, ifgt, ifle
: 比较栈顶整数,并根据结果跳转。tableswitch
: 用于switch语句的多路分支跳转。lookupswitch
: 用于switch语句的查找表跳转。
异常处理指令
异常处理指令,全称 Exception Handling Instructions,包含以下几个指令:
athrow
: 抛出异常或错误。try-catch
块:通过异常表实现,不是具体的字节码指令。
同步指令
同步指令,全称 Synchronization Instructions,包含以下几个指令:
monitorenter
: 获取对象的监视器锁。monitorexit
: 释放对象的监视器锁。
栈操作指令
栈操作指令,全称 Stack Operations Instructions,包含以下几个指令:
pop
: 弹出栈顶的一个元素。dup
: 复制栈顶的一个元素。swap
: 交换栈顶的两个元素。
JVM 如何执行字节码?
JVM
字节码的执行过程主要依赖于 Java 虚拟机的解释器和即时编译器(Just-In-Time Compiler,简称JIT)。JVM
会将字节码读取到内存中,并逐条解释执行,或者将热点代码编译为机器码来提高执行效率。
为了更好的说明 JVM 字节码的执行过程,我们还是通过一个具体的示例来进行说明。
示例代码
这里以 a + b 求和为例,代码如下:
1 | public class Sum { |
使用 javap -c Sum
命令获取字节码,具体信息如下:
1 | Compiled from "Sum.java" |
字节码解释
1. 构造方法 Sum()
aload_0
: 加载局部变量表中第一个变量(即this引用)。invokespecial #1
: 调用父类(java/lang/Object)的构造方法。return
: 从构造方法返回。
2. add()方法
iload_0
: 加载局部变量表中索引为0的整数(即参数a)到操作数栈。iload_1
: 加载局部变量表中索引为1的整数(即参数b)到操作数栈。iadd
: 弹出操作数栈顶的两个整数,进行加法运算,并将结果压入操作数栈。ireturn
: 从方法返回,并将操作数栈顶的整数作为返回值。
执行过程
假设我们在另一个类中调用Sum.add(2, 3)
,执行过程如下:
JVM
将参数 2和 3压入局部变量表,iload_0
指令将参数 2加载到操作数栈。iload_1
指令将参数 3加载到操作数栈。iadd
指令弹出操作数栈顶的两个值(2和3),进行加法运算,将结果5压入操作数栈。ireturn
指令将操作数栈顶的值(5)作为返回值返回给调用者。
总结
本文,我们分析了什么是 JVM
字节码,如何查看 JVM
字节码以及JVM
是如何执行字节码,掌握这些底层不但可以帮助我们更好的理解,为什么 Java可以编译一次,到处运行,还可以帮助我们更好的了解 Java的运行机制以及理解 Java的编程精髓。
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