深入了解JVM - 虛拟機位元組碼指令集

Java虛拟機的指令由一個位元組長度的、代表着某種特定操作含義的數字（稱為操作碼，Opcode）以及跟随其後的零至多個代表此操作所需的參數（稱為操作數，Operand）構成。因為隻有一個位元組的長度，是以指令總數不能超過256個。

在Java虛拟機的指令集中，大多數指令都包含其操作所對應的資料類型資訊，如：i代表對int類型的資料操作，l代表long，s代表short，b代表byte，c代表char，f代表float，d代表double，a代表reference。

解釋器的執行模型

Java虛拟機的解釋器的執行模型：

do {
    自動計算PC寄存器的值加1;
    根據PC寄存器訓示的位置，從位元組碼流中取出操作碼;
    if (位元組碼存在操作數) 從位元組碼流中取出操作數;
    執行操作碼所定義的操作;
} while (位元組碼流長度 > 0);      

常量入棧指令

指令碼	操作碼（助記符）	操作數	描述（棧指操作數棧）
0x01	aconst_null	将 null推送至棧頂
0x02	iconst_m1	将 -1(int)推送至棧頂
0x03	iconst_0	将 0(int)推送至棧頂
0x04	iconst_1	将 1(int)推送至棧頂
0x05	iconst_2	将 2(int)推送至棧頂
0x06	iconst_3	将 3(int)推送至棧頂
0x07	iconst_4	将 4(int)推送至棧頂
0x08	iconst_5	将 5(int)推送至棧頂
0x09	lconst_0	将 0(long)推送至棧頂
0x0a	lconst_1	将 1(long)推送至棧頂
0x0b	fconst_0	将 0(float)推送至棧頂
0x0c	fconst_1	将 1(float)推送至棧頂
0x0d	fconst_2	将 2(float)推送至棧頂
0x0e	dconst_0	将 0(double)推送至棧頂
0x0f	dconst_1	将 1(double)推送至棧頂
0x10	bipush	valuebyte	将一個byte值帶符号擴充成int推送至棧頂
0x11	sipush	valuebyte1 valuebyte2	将一個short值帶符号擴充成int推送至棧頂
0x12	ldc	indexbyte1	将int、float或String型常量值從常量池中推送至棧頂
0x13	ldc_w	indexbyte1 indexbyte2	将int、float或String型常量值從常量池中推送至棧頂（寬索引）
0x14	ldc2_w	indexbyte1 indexbyte2	将long或double型常量值從常量池中推送至棧頂（寬索引）

局部變量值轉載到棧中指令

指令碼	操作碼（助記符）	操作數	描述（棧指操作數棧）
0x15	iload	indexbyte	從局部變量indexbyte中裝載int類型值推送至棧頂
0x16	lload	indexbyte	從局部變量indexbyte中裝載long類型值推送至棧頂
0x17	fload	indexbyte	從局部變量indexbyte中裝載float類型值推送至棧頂
0x18	dload	indexbyte	從局部變量indexbyte中裝載double類型值推送至棧頂
0x19	aload	indexbyte	從局部變量indexbyte中裝載引用類型值推送至棧頂
0x1a	iload_0	将第1個int型本地變量推送至棧頂
0x1b	iload_1	将第2個int型本地變量推送至棧頂
0x1c	iload_2	将第4個int型本地變量推送至棧頂
0x1d	iload_3	将第4個int型本地變量推送至棧頂
0x1e	lload_0	将第1個long型本地變量推送至棧頂
0x1f	lload_1	将第2個long型本地變量推送至棧頂
0x20	lload_2	将第3個long型本地變量推送至棧頂
0x21	lload_3	将第4個long型本地變量推送至棧頂
0x22	fload_0	将第1個float型本地變量推送至棧頂
0x23	fload_1	将第2個float型本地變量推送至棧頂
0x24	fload_2	将第3個float型本地變量推送至棧頂
0x25	fload_3	将第4個float型本地變量推送至棧頂
0x26	dload_0	将第1個double型本地變量推送至棧頂
0x27	dload_1	将第2個double型本地變量推送至棧頂
0x28	dload_2	将第3個double型本地變量推送至棧頂
0x29	dload_3	将第4個double型本地變量推送至棧頂
0x2a	aload_0	将第1個引用類型本地變量推送至棧頂
0x2b	aload_1	将第2個引用類型本地變量推送至棧頂
0x2c	aload_2	将第3個引用類型本地變量推送至棧頂
0x2d	aload_3	将第4個引用類型本地變量推送至棧頂
0x2e	iaload	将int類型數組的索引值推送至棧頂
0x2f	laload	将long類型數組的索引值推送至棧頂
0x30	faload	将float類型數組的索引值推送至棧頂
0x31	daload	将double類型數組的索引值推送至棧頂
0x32	aaload	将引用類型數組的索引值推送至棧頂
0x33	baload	将boolean或byte類型數組的索引值推送至棧頂（先轉換為int類型值，後壓棧）
0x34	caload	将char類型數組的索引值推送至棧頂（先轉換為int類型值，後壓棧）
0x35	saload	将short類型數組的索引值推送至棧頂（先轉換為int類型值，後壓棧）

将棧頂值儲存到局部變量中指令

指令碼	操作碼（助記符）	操作數	描述（棧指操作數棧）
0x36	(wide)istore	indexbyte	将棧頂int類型值儲存到局部變量indexbyte中
0x37	(wide)lstore	indexbyte	将棧頂long類型值儲存到局部變量indexbyte中
0x38	(wide)fstore	indexbyte	将棧頂float類型值儲存到局部變量indexbyte中
0x39	(wide)dstore	indexbyte	将棧頂double類型值儲存到局部變量indexbyte中
0x3a	(wide)astore	indexbyte	将棧頂引用類型值儲存到局部變量indexbyte中
0x3b	istore_0	将棧頂int類型值儲存到局部變量0中
0x3c	istore_1	将棧頂int類型值儲存到局部變量1中
0x3d	istore_2	将棧頂int類型值儲存到局部變量2中
0x3e	istore_3	将棧頂int類型值儲存到局部變量3中
0x3f	lstore_0	将棧頂long類型值儲存到局部變量0中
0x40	lstore_1	将棧頂long類型值儲存到局部變量1中
0x41	lstore_2	将棧頂long類型值儲存到局部變量2中
0x42	lstroe_3	将棧頂long類型值儲存到局部變量3中
0x43	fstore_0	将棧頂float類型值儲存到局部變量0中
0x44	fstore_1	将棧頂float類型值儲存到局部變量1中
0x45	fstore_2	将棧頂float類型值儲存到局部變量2中
0x46	fstore_3	将棧頂float類型值儲存到局部變量3中
0x47	dstore_0	将棧頂double類型值儲存到局部變量0中
0x48	dstore_1	将棧頂double類型值儲存到局部變量1中
0x49	dstore_2	将棧頂double類型值儲存到局部變量2中
0x4a	dstore_3	将棧頂double類型值儲存到局部變量3中
0x4b	astroe_0	将棧頂引用類型值儲存到局部變量0中
0x4c	astore_1	将棧頂引用類型值儲存到局部變量1中
0x4d	astore_2	将棧頂引用類型值儲存到局部變量2中
0x4e	astore_3	将棧頂引用類型值儲存到局部變量3中
0x4f	iastore	将棧頂int類型值儲存到指定int類型數組的指定索引位
0x50	lastore	将棧頂long類型值儲存到指定long類型數組的指定索引位
0x51	fastore	将棧頂float類型值儲存到指定float類型數組的指定索引位
0x52	dastore	将棧頂double類型值儲存到指定double類型數組的指定索引位
0x53	aastore	将棧頂引用類型值儲存到指定引用類型數組的指定索引位
0x54	bastroe	将棧頂boolean類型值或byte類型值儲存到指定boolean類型數組或byte類型數組的指定索引位
0x55	castore	将棧頂char類型值儲存到指定char類型數組的指定索引位
0x56	sastore	将棧頂short類型值儲存到指定short類型數組的指定索引位

通用（無類型）棧操作指令

指令碼	操作碼（助記符）	操作數	描述（棧指操作數棧）
0x00	nop	空操作
0x57	pop	從棧頂彈出一個字長的資料（不是long和double）
0x58	pop2	從棧頂彈出兩個字長的資料（一個long或double，或者是兩個單位元組長度數值）
0x59	dup	複制棧頂一個字長的資料，将複制後的資料壓入棧頂
0x5a	dup_x1	複制棧頂一個字長的資料，彈出棧頂兩個字長資料，先将複制後的資料壓入棧頂，再将彈出的兩個字長資料壓入棧頂
0x5b	dup_x2	複制棧頂一個字長的資料，彈出棧頂三個字長的資料，将複制後的資料壓入棧頂，再将彈出的三個字長的資料壓入棧頂
0x5c	dup2	複制棧頂兩個字長的資料，将複制後的兩個字長的資料壓入棧頂
0x5d	dup2_x1	dup_x1 指令的雙倍版
0x5e	dup2_x2	dup_x2 指令的雙倍版
0x5f	swap	将棧最頂端的兩個數值互換（數值不能是long或double）

整數和浮動點數運算

指令碼	操作碼（助記符）	操作數	描述（棧指操作數棧）
0x60	iadd	将棧頂兩int類型數相加，并将結果壓入棧頂
0x61	ladd	将棧頂兩long類型數相加，并将結果壓入棧頂
0x62	fadd	将棧頂兩float類型數相加，并将結果壓入棧頂
0x63	dadd	将棧頂兩double類型數相加，并将結果壓入棧頂
0x64	isub	将棧頂兩int類型數相減，并将結果壓入棧頂
0x65	lsub	将棧頂兩long類型數相減，并将結果壓入棧頂
0x66	fsub	将棧頂兩float類型數相減，并将結果壓入棧頂
0x67	dsub	将棧頂兩double類型數相減，并将結果壓入棧頂
0x68	imul	将棧頂兩int類型數相乘，并将結果壓入棧頂
0x69	lmul	将棧頂兩long類型數相乘，并将結果壓入棧頂
0x6a	fmul	将棧頂兩float類型數相乘，并将結果壓入棧頂
0x6b	dmul	将棧頂兩double類型數相乘，并将結果壓入棧頂
0x6c	idiv	将棧頂兩int類型數相除，并将結果壓入棧頂
0x6d	ldiv	将棧頂兩long類型數相除，并将結果壓入棧頂
0x6e	fdiv	将棧頂兩float類型數相除，并将結果壓入棧頂
0x6f	ddiv	将棧頂兩double類型數相除，并将結果壓入棧頂
0x70	irem	将棧頂兩int類型數取模，并将結果壓入棧頂
0x71	lrem	将棧頂兩long類型數取模，并将結果壓入棧頂
0x72	frem	将棧頂兩float類型數取模，并将結果壓入棧頂
0x73	drem	将棧頂兩double類型數取模，并将結果壓入棧頂
0x74	ineg	将棧頂int類型值取負，并将結果壓入棧頂
0x75	lneg	将棧頂long類型值取負，并将結果壓入棧頂
0x76	fneg	将棧頂float類型值取反，并将結果壓入棧頂
0x77	dneg	将棧頂double類型值取負，并将結果壓入棧頂
0x84	(wide)iinc	indexbyte constbyte	将整數值constbyte加到indexbyte指定的int類型的局部變量中(i++,i–,i+=2;)

邏輯運算 - 移位運算

指令碼	操作碼（助記符）	操作數棧	描述（棧指操作數棧）
0x78	ishl	… , a , n	(a << n) 左移int類型值，并将結果壓入棧頂
0x79	lshl	… , a , n	(a << n) 左移long類型值，并将結果壓入棧頂
0x7a	ishr	… , a , n	(a >> n) 算術右移int類型值，并将結果壓入棧頂
0x7b	lshr	… , a , n	(a >> n) 算術右移long類型值，并将結果壓入棧頂
0x7c	iushr	… , a , n	(a >>> n) 邏輯右移int類型值，并将結果壓入棧頂
0x7d	lushr	… , a , n	(a >>> n) 邏輯右移long類型值，并将結果壓入棧頂

邏輯運算 - 位運算

指令碼	操作碼（助記符）	操作數棧	描述（棧指操作數棧）
0x7e	iand	… , a , n	(a & b) 對int類型按位與運算，并将結果壓入棧頂
0x7f	land	… , a , n	(a & b) 對long類型的按位與運算，并将結果壓入棧頂
0x80	ior	… , a , n	(a | b) 對int類型的按位或運算，并将結果壓入棧頂
0x81	lor	… , a , n	(a | b) 對long類型的按位或運算，并将結果壓入棧頂
0x82	ixor	… , a , n	(a ^ b) 對int類型的按位異或運算，并将結果壓入棧頂
0x83	lxor	… , a , n	(a ^ b) 對long類型的按位異或運算，并将結果壓入棧頂

類型轉換指令

指令碼	操作碼（助記符）	操作數棧	描述（棧指操作數棧）
0x85	i2l	… , a	(long) a, 将棧頂int類型值轉換為long類型值，并将結果壓入棧頂
0x86	i2f	… , a	(float) a, 将棧頂int類型值轉換為float類型值，并将結果壓入棧頂
0x87	i2d	… , a	(double) a, 将棧頂int類型值轉換為double類型值，并将結果壓入棧頂
0x88	l2i	… , a	(int) a, 将棧頂long類型值轉換為int類型值，并将結果壓入棧頂
0x89	l2f	… , a	(float) a, 将棧頂long類型值轉換為float類型值，并将結果壓入棧頂
0x8a	l2d	… , a	(double) a, 将棧頂long類型值轉換double類型值，并将結果壓入棧頂
0x8b	f2i	… , a	(int) a, 将棧頂float類型值轉換為int類型值，并将結果壓入棧頂
0x8c	f2l	… , a	(long) a, 将棧頂float類型值轉換為long類型值，并将結果壓入棧頂
0x8d	f2d	… , a	(double) a, 将棧頂float類型值轉換為double類型值，并将結果壓入棧頂
0x8e	d2i	… , i	(double) a, 将棧頂double類型值轉換為int類型值，并将結果壓入棧頂
0x8f	d2l	… , a	(long) a, 将棧頂double類型值轉換為long類型值，并将結果壓入棧頂
0x90	d2f	… , a	(float) a, 将棧頂double類型值轉換為float類型值，并将結果壓入棧頂
0x91	i2b	… , a	(byte) a, 将棧頂int類型值截斷成byte類型，後帶符号擴充成int類型值壓入棧頂
0x92	i2c	… , a	(char) a, 将棧頂int類型值截斷成char類型值，後帶符号擴充成int類型值壓入棧頂
0x93	i2s	… , a	(short) a, 将棧頂int類型值截斷成short類型值，後帶符号擴充成int類型值壓入棧頂

控制流指令 - 比較指令

指令碼	操作碼（助記符）	操作數棧	描述（棧指操作數棧）
0x94	lcmp	… , a , b	比較棧頂兩long類型值，前者大，1入棧；相等，0入棧；後者大，-1入棧 [a == b ? 0 : (a < b ? -1 : 1)]
0x95	fcmpl	… , a , b	比較棧頂兩float類型值，前者大，1入棧；相等，0入棧；後者大，-1入棧；有NaN存在，-1入棧 [a == b ? 0 : (a < b ? -1 : 1)]
0x96	fcmpg	… , a , b	比較棧頂兩float類型值，前者大，1入棧；相等，0入棧；後者大，-1入棧；有NaN存在，-1入棧 [a == b ? 0 : (a < b ? -1 : 1)]
0x97	dcmpl	… , a , b	比較棧頂兩double類型值，前者大，1入棧；相等，0入棧；後者大，-1入棧；有NaN存在，-1入棧 [a == b ? 0 : (a < b ? -1 : 1)]
0x98	dcmpg	… , a , b	比較棧頂兩double類型值，前者大，1入棧；相等，0入棧；後者大，-1入棧；有NaN存在，-1入棧 [a == b ? 0 : (a < b ? -1 : 1)]

控制流指令 - 條件跳轉指令

指令碼	操作碼（助記符）	棧操作之前	棧操作之後	描述（棧指操作數棧）
0x99	ifeq	… , i	…	若棧頂int類型值為0則跳轉 (jump if i == 0)
0x9a	ifne	… , i	…	若棧頂int類型值不為0則跳轉 (jump if i != 0)
0x9b	iflt	… , i	…	若棧頂int類型值小于0則跳轉 (jump if i < 0)
0x9c	ifge	… , i	…	若棧頂int類型值大于等于0則跳轉 (jump if i >= 0)
0x9d	ifgt	… , i	…	若棧頂int類型值大于0則跳轉 (jump if i > 0)
0x9e	ifle	… , i	…	若棧頂int類型值小于等于0則跳轉 (jump if i <= 0)
0x9f	if_icmpeq	… , i , j	…	若棧頂兩int類型值相等則跳轉 (jump if i == j)
0xa0	if_icmpne	… , i , j	…	若棧頂兩int類型值不相等則跳轉 (jump if i != j)
0xa1	if_icmplt	… , i , j	…	若棧頂兩int類型值前小于後則跳轉 (jump if i < j)
0xa4	if_icmple	… , i , j	…	若棧頂兩int類型值前小于等于後則跳轉 (jump if i <= j)
0xa3	if_icmpgt	… , i , j	…	若棧頂兩int類型值前大于後則跳轉 (jump if i > j)
0xa2	if_icmpge	… , i , j	…	若棧頂兩int類型值前大于等于後則跳轉 (jump if i >= j)
0xa5	if_acmpeq	… , o , p	…	若棧頂兩引用類型值相等則跳轉 (jump if o == p)
0xa6	if_acmpne	… , o , p	…	若棧頂兩引用類型值不相等則跳轉 (jump if o != p)
0xc6	ifnull	… , o	…	若棧頂引用值為null則跳轉 (jump if o == null)
0xc7	ifnonnull	… , o	…	若棧頂引用值不為null則跳轉 (jump if o != null)

控制流指令 - 無條件跳轉指令

指令碼	操作碼（助記符）	操作數	描述（棧指操作數棧）
0xa7	goto	branchbyte1 branchbyte2	無條件跳轉到指定位置
0xc8	goto_w	branchbyte1 branchbyte2 branchbyte3 branchbyte4	無條件跳轉到指定位置（寬索引）

控制流指令 - 表跳轉指令

指令碼	操作碼（助記符）	操作數	描述（棧指操作數棧）
0xaa	tableswitch	<0 - 3bytepad> defaultbyte1 defaultbyte2 defaultbyte3 defaultbyte4 lowbyte1 lowbyte2 lowbyte3 lowbyte4 highbyte1 highbyte2 highbyte3 highbyte4 jump offsets…	通過索引通路跳轉表，并跳轉 jump always
0xab	lookupswitch	<0 - 3bytepad> defaultbyte1 defaultbyte2 defaultbyte3 defaultbyte4 npairs1 npairs2 npairs3 npairs4 match offsets	通過鍵值通路跳轉表，并跳轉 jump always

控制流指令 - 異常和finally

指令碼	操作碼（助記符）	操作數	描述（棧指操作數棧）
0xbf	athrow	抛出異常
0xa8	jsr	branchbyte1 branchbyte2	跳轉到子例程式
0xc9	jsr_w	branchbyte1 branchbyte2 branchbyte3 branchbyte4	跳轉到子例程式（寬索引）
0xa9	(wide)ret	indexbyte	傳回子例程式

對象操作指令

指令碼	操作碼（助記符）	操作數	描述（棧指操作數棧）
0xbb	new	indexbyte1 indexbyte2	建立新的對象執行個體，并将其引用壓入棧頂
0xc0	checkcast	indexbyte1 indexbyte	類型強轉，如果該檢查未通過将會抛出ClassCastException異常
0xc1	instanceof	indexbyte1 indexbyte2	檢查對象是否是指定的類的執行個體。如果是，1進棧；否則，0進棧
0xb2	getstatic	indexbyte1 indexbyte2	擷取靜态字段的值，并将其引用壓入棧頂
0xb3	putstatic	indexbyte1 indexbyte2	給靜态字段指派
0xb4	getfield	indexbyte1 indexbyte2	擷取對象字段的值，并将其引用壓入棧頂
0xb5	putfield	indexbyte1 indexbyte2	給對象字段指派

數組操作指令

指令碼	操作碼（助記符）	操作數	描述（棧指操作數棧）
0xbc	newarray	atype	建立type類型的數組
0xbd	anewarray	indexbyte1 indexbyte2	建立引用類型的數組
0xbe	arraylength	擷取一維數組的長度
0xc5	multianewarray	indexbyte1 indexbyte2 dimension	建立dimension次元的數組

方法調用指令

指令碼	操作碼（助記符）	操作數	描述（棧指操作數棧）
0xb7	invokespecial	indexbyte1 indexbyte2	編譯時方法綁定調用方法
0xb6	invokevirtual	indexbyte1 indexbyte2	運作時方法綁定調用方法
0xb8	invokestatic	indexbyte1 indexbyte2	調用靜态方法
0xb9	invokeinterface	indexbyte1 indexbyte2 count	調用接口方法

方法傳回指令

指令碼	操作碼（助記符）	描述（棧指操作數棧）
0xac	ireturn	傳回int類型值
0xad	lreturn	傳回long類型值
0xae	freturn	傳回float類型值
0xaf	dreturn	傳回double類型值
0xb0	areturn	傳回引用類型值
0xb1	return	void函數傳回

線程同步指令

指令碼	操作碼（助記符）	描述（棧指操作數棧）
0xc2	monitorenter	進入并獲得對象螢幕，擷取對象鎖，用于同步方法或者同步塊
0xc3	monitorexit	釋放并退出對象螢幕，釋放對象鎖，用于同步方法或者同步塊

wide指令

指令碼	操作碼（助記符）	描述（棧指操作數棧）
0xc4	wide	使用附加位元組擴充局部變量的寬度（iinc指令特殊）

示例

方法的執行示例

Java源碼：

public int inc() {
    int x;
    try {
        x = 1;
        return x;
    } catch (Exception e) {
        x = 2;
        return x;
    } finally {
        x = 3;
    }
}      

編譯後的ByteCode位元組碼及異常表：

public int inc();
    Code:
        Stack=1, Locals=5, Args_size=1
        0:   iconst_1   // try塊中的x=1
        1:   istore_1
        2:   iload_1    // 儲存x到returnValue中，此時x=1
        3:   istore  4
        5:   iconst_3   // finaly塊中的x=3
        6:   istore_1
        7:   iload   4  // 将returnValue中的值放到棧頂，準備給ireturn傳回
        9:   ireturn
        10:  astore_2   // 給catch中定義的Exception e指派，存儲在變量槽 2中
        11:  iconst_2   // catch塊中的x=2
        12:  istore_1
        13:  iload_1    // 儲存x到returnValue中，此時x=2
        14:  istore  4
        16:  iconst_3   // finaly塊中的x=3
        17:  istore_1
        18:  iload 4    // 将returnValue中的值放到棧頂，準備給ireturn傳回
        20:  ireturn
        21:  astore_3   // 如果出現了不屬于java.lang.Exception及其子類的異常才會走到這裡
        22:  iconst_3   // finaly塊中的x=3
        23:  istore_1
        24:  aload_3    // 将異常放置到棧頂，并抛出
        25:  athrow
    Exception table:
    from   to  target type
        0     5    10   Class java/lang/Exception
        0     5    21   any
        10    16   21   any      

編譯器為這段Java源碼生成了三條異常表記錄，對應三條可能出現的代碼執行路徑。從Java代碼的語義上講，這三條執行路徑分别為：

• 如果try語句塊中出現屬于Exception或其子類的異常，轉到catch語句塊處理；
• 如果try語句塊中出現不屬于Exception或其子類的異常，轉到finally語句塊處理；
• 如果catch語句塊中出現任何異常，轉到finally語句塊處理。

參考