java虚拟机规范(se8)——java虚拟机结构(六)

2.11 指令集简介

　　java虚拟机指令由一个字节的操作码，接着时0个或多个操作数组成，操作码描述了执行的操作，操作数提供了操作所需的参数或者数据。许多指令没有操作数只包含一个操作码。

　　如果忽略异常处理，那java虚拟机使用下面的伪代码循环即可有效工作：

do{
    自动计算pc然后获取pc中的操作码;
    if (存在操作数)
        获取操作数;
    执行这个操作码定义的操作
}while(是否有更多需要执行);

　　操作数的数量和大小都有操作码决定。如果一个操作数大于一个字节，那么它将以大端顺序存储——高位在前。例如一个16位无符号整数使用两个无符号字节存储，byte1和byte2，它的值位(byte1<<8)|byte2.

　　字节码指令流是单字节对齐的，除了lookupswitch和tableswitch指令。由于它们的操作数比较特殊，都是4字节为界划分的，所以这两条指令也需要预留响应的空位来实现对齐。

　　限制java虚拟机操作码长度为一个字节，并且放弃了编译后的代码的参数长度对齐，是为了尽可能的获得短小精悍的编译代码，即使这可能让java虚拟机的具体实现付出一定的性能成本为代价。由于每个操作码只有一个字节，所以限制了整个指令集的数量，又因为没有假设数据是对齐的，意味着处理超过一个字节的数据的时候，需要运行时从字节中构建具体的数据结构，这样会损失一定的性能。

2.11.1 类型和java虚拟机

　　java虚拟机指令集中的大多数指令都包含了其操作数的类型信息。例如，iload指令加载一个局部变量到操作数栈中，这个局部变量必须是int类型。fload指令对float值执行相同的操作。这两个指令可以具有相同的实现，但是不能使用相同的操作码。

　　对于大多数类型相关的指令，指令类型在操作码助记符中用一个字母显示的表示：i表示int，l表示long，s表示short，b表示byte，c表示char，f表示float，d表示double，a表示reference。一些指令的类型是不确定的，这些指令的助记符中不包含类型字母。例如，arraylength总是操作数组对象。一些指令，例如goto是一个无条件控制转移指令，不操作一个有类型的操作数。

　　由于java虚拟机的操作码长度只有一个字节，所以包含了数据类型的操作码对指令集的设计带来很大的压力。如果每个类型指令都支持所有的java虚拟机运行时数据类型，那么只用一个字节表示所有的指令就不太可能了。相应的，java虚拟机的指令集对于特定的操作提供了有限的类型支持，换句话说，不是每种类型的每个操作都有对应的类型指令。根据需要，可以使用单独的指令在不支持和支持的数据类型之间进行转换。

　　下表汇总了java虚拟机的指令集支持的类型。具体的指令具有类型信息，通过将opcode列的指令模板中的字母T替换为对应类型列的字母来得到。如果一些指令模板对应的类型列是空的，就表示不存在支持这个类型操作的指令。例如，存在加载int类型的指令iload，但是没有加载byte的指令。

　　注意到表中的大部分指令都没有整数类型byte，char和short的形式，也没有一个有boolean类型的形式。编译器在编译期和运行期将byte和shot类型带符号位扩展为int类型，将boolean和char类型进行零扩展为int类型，从而使用int类型指令进行操作。同样的，使用java虚拟机指令处理boolean，byte，char，short类型的数组时也会转换为int类型。因此，大多数对于boolean，byte，short和char类型的操作，实际上都是作为int类型作为运算（computational ）类型。

opcode	byte	short	int	long	float	double	char	reference
Tipush	bipush	sipush
Tconst			iconst	lconst	fconst	dconst		aconst
Tload			iload	lload	fload	dload		aload
Tstore			istore	lstore	fstore	dstore		astore
Tinc			iinc
Taload	baload	saload	iaload	laload	faload	daload	caload	aaload
Tastore	bastore	sastore	iastore	lastore	fastore	dastore	castore	aastore
Tadd			iadd	ladd	fadd	dadd
Tsub			isub	lsub	fsub	dsub
Tmul			imul	lmul	fmul	dmul
Tdiv			idiv	ldiv	fdiv	ddiv
Trem			irem	lrem	frem	drem
Tneg			ineg	lneg	fneg	dneg
Tshl			ishl	lshl
Tshr			ishr	lshr
Tushr			iushr	lushr
Tand			iand	land
Tor			ior	lor
Txor			ixor	lxor
i2T	i2b	i2s		i2l	i2f	i2d
l2T			l2i		l2f	l2d
f2T			f2i	f2l		f2d
d2T			d2i	d2l	d2f
Tcmp				lcmp
Tcmpl					fcmpl	dcmpl
Tcmpg					fcmpg	dcmpg
if_TcmpOP			if_icmpOP					if_acmpOP
Treturn			ireturn	lreturn	freturn	dreturn		areturn

　　java虚拟机实际类型和java虚拟机运算类型之间的映射见下表。

　　一些java虚拟机指令如pop和swap在操作数栈上操作时忽略类型，不过这些指令也必须受到运算类型分类的限制，这些分类也在下表中给出了。

实际类型	计算类型	分类
boolean	int	1
byte	int	1
char	int	1
short	int	1
int	int	1
float	float	1
reference	reference	1
returnAddress	returnAddress	1
long	long	2
double	double	2

2.11.2 加载和存储指令

　　加载和存储指令将值在java虚拟机栈帧的局部变量表和操作数栈之间进行转移。

• 　　加载一个局部变量到操作数栈：iload, iload_<n>, lload, lload_<n>, fload, fload_<n>, dload, dload_<n>, aload, aload_<n>. 
• 　　从操作数栈中存储一个值到局部变量表：istore, istore_<n>, lstore, lstore_<n>, fstore, fstore_<n>, dstore, dstore_<n>, astore, astore_<n>
• 　　加载一个常量到操作数栈：bipush, sipush, ldc, ldc_w, ldc2_w, aconst_null, iconst_m1, iconst_<i>, lconst_<l>, fconst_<f>, dconst_<d>.
• 　　扩充局部变量表的访问索引的指令：wide

　　访问对象的属性或者数组的元素也需要和操作数栈进行数据转移。

　　上面列出的指令助记符中，有一部分是以尖括号结尾的（例如，iload_<n>），这些指令助记符实际上是代表了一组指令（例如iload_<n>有iload_0,iload_1,iload_2,iload3组成）。这几组指令都是某个带有一个操作数的通用指令（如iload）的特殊形式，它们的操作数是隐含的，不需要存储和获取。除此之外，它们的语义和原生通用指令完全一致（如iload_0的语义和操作数为0的iload指令语义完全一致）。尖括号之间的字母指定该指令族的隐式操作数的类型：对于<n>，表示非负整数; 对于<i>，表示int; 对于<l>，表示long; 对于<f>，表示float; 对于<d>，表示double。 在许多情况下，类型int的形式用于对byte，char和short类型的值执行操作。

　　指令族的概念贯穿这个规范。

2.11.3 运算指令

　　算数指令将操作数栈上的两个元素进行计算，然后将结果压入操作数栈。主要有两种类型的运算指令，操作整数和操作浮点数。无论哪种类型的运算指令都使用java虚拟机的数字类型。对于byte，short，char以及boolean类型的值没有直接的整型指令支持它们；这些运算操作使用int类型的指令来操作。整型和浮点型指令在溢出和除零行为上同样不同。运算指令如下：

• 　　加：iadd, ladd, fadd, dadd.
• 　　减：isub, lsub, fsub, dsub. 
• 　　乘：imul, lmul, fmul, dmul. 
• 　　除：idiv, ldiv, fdiv, ddiv. 
• 　　求余：irem, lrem, frem, drem. 
• 　　取反：ineg, lneg, fneg, dneg. 
• 　　位移：ishl, ishr, iushr, lshl, lshr, lushr. 
• 　　位或：ior, lor. 
• 　　位与：iand, land. 
• 　　位异或：ixor, lxor. 
• 　　局部变量自增：iinc. 
• 　　比较：dcmpg, dcmpl, fcmpg, fcmpl, lcmp. 

　　java虚拟机指令集的语义直接支持java编程语言对于整型和浮点型值操作的语义。

　　java虚拟机没有明确表示操作整数数值时的溢出情况。整型操作能抛出异常的指令只有整数除指令（idiv，ldiv）和整数求余指令（irem和lrem），当它们除0时，将抛出ArithmeticException。

　　java虚拟机操作浮点型数行为和IEEE 754中描述的一样。java虚拟机要求完全支持IEEE 754中定义的非正规（denormalized）数值和逐级下溢（gradual underflow）。这些特征将会使得某些数值算法处理起来变得更容易一些。

　　java虚拟机要求浮点数运算时，所有的运算结果都必须舍入到适当精度，非精确的结果必须舍入到可被表示的最接近的精确值，如果两种可表示的形式与该值一样接近，将优先选择最低有效位为零的。这种舍入模式也是IEEE 754规范中的默认舍入模式，称为向最近数舍入模式。

 　　java虚拟机使用IEEE 754中的向零舍入（round towards zero）模式来将浮点数转换为整数。这种模式的舍入结果会导致数字被截断，所有小鼠部分的数字字节都被丢掉。向零舍入模式将在目标数值中选择一个最近的，但是不大于原值的数字作为最精确的舍入结果。

　　java虚拟机在处理浮点数运算时，不会抛出任何运行时异常（这里说的时java的异常，不要和IEEE 754规范中的浮点异常混淆），当一个操作产生溢出时，将会使用有符号的无穷大来表示，如果某个操作没有明确的定义的话，将会使用NaN来表示。所有使用NaN值作为操作数的算数操作，其结果都是NaN。

　　对与long类型的比较（lcmp）使用带符号的比较方式。对于浮点型类型(dcmpg, dcmpl, fcmpg, fcmpl) 使用IEEE 754规定非信号比较方式（nonsignaling comparisons）。

2.11.4 类型转换指令

　　类型转换指令允许java虚拟机中的数字类型相互转换。这些转换操作一般用于实现用户代码的显示类型转换操作，或者用来处理Java虚拟机字节码指令集中指令非完全独立的问题。（部分类型没有对应的操作指令，具体参考2.11.1）

　　java虚拟机直接支持以下数值的宽化类型转换：

• 　　int到long，float或者double
• 　　long到float或者double
• 　　float到double

　　宽化数值转化指令有i2l,i2f,i2d,l2f,l2d以及f2d。这些操作码的助记符直接从名称上给出了类型转换的内容，使用2来作为双关语表示to。例如，i2d指令表示将int值转换为double值。

　　大多数宽化数字转化不会丢失数值的数量级信息。相应的，将int转换为long，将int转换为double不会丢失任何信息。在FP-strict模式下将float转换为double会保留精确的数值，只有在非FP-strict模式下转化可能丢失数值的数量级发生变化。

　　从int到float，或从long到float，或从long到double的转换可能会失去精度，也就是说，可能会丢失该值的一些最低有效位; 生成的浮点值是整数值的精确舍入版本，使用IEEE 754舍入到最近模式。

　　不考虑可能丢失精度的事实情况，宽化数值转换不会导致虚拟机抛出运行时异常（不要和IEEE 754中的浮点异常混淆）。

　　将int宽化数值转换为long只需对int值的二进制补码表示进行扩展，以填充为更宽的格式。 将char宽化数值转换为int类型需要对char值进行零 - 扩展以填充为更宽的格式。

　　注意到宽化数值类型转化不包括将整型类型byte,char,short转化为int。如2.11.1中所述，byte，char和short类型的值在内部扩展为int类型，这使得这些转换是隐式的。

　　java虚拟机也直接支持下面的窄化数值转化（narrowing numeric conversions）：

• 　　int 到 byte，short 或者 char
• 　　long 到 int
• 　　float 到 int 或者 long
• 　　double 到 int，long 或者 float

　　上面的窄化数值转换是：i2b,i2c,i2s,l2i,f2l,d2i,d2l和d2f。窄化数值转换可能导致结果具有不同的符号，不同的数量级，或者两者都有；转换过程可能导致数值丢失精度。

　　将int或者long窄化数值转换为整型T，只是简单的丢弃除最低n位之外的所有位，n指类型T的长度。这回导致结果和输入具有不同的符号位。

　　当将浮点型数值窄化转换为类型T时，T为int或者long，遵循以下规则：

• 　　如果浮点数为NaN，那么转换结果为int 0或者long 0。
• 　　否则，如果浮点型数值不是无穷大，那么浮点数将使用IEEE 754的舍入到0模式转换为整数V，并且下面符合下面两种情况：
  • 　　　　如果T是long类型，并且这个转换的整数值V在long的范围之内，那么结果就是V。
  • 　　　　如果T是int类型，并且整数值V在int范围之内，那么结果就是V。
• 　　否则：
  • 　　　　如果数值非常小（比如一个具有非常大数量级的负数或者负无穷大），那么将用int或者long中的最小的数来表示。
  • 　　　　如果数值太大（比如一个具有非常大数量级的正数或者正无穷大），那么结果将用int或者long中最大的数来表示。

　　将double窄化数值转换为float过程和IEEE 754中一致。结果使用IEEE 754的舍入到零模式转换。如果数值太小无法表示为float，那么使用float的正负0来表示；如果数值太大，那么使用float的正负无穷大来表示。double的NaN总是转换为float的NaN。

　　不考虑可能溢出，下溢出或者丢失精度的可能情况，窄化数值转换不会导致虚拟机抛出运行时异常（不要和IEEE 754中的浮点异常混淆）。

2.11.5 创建和操作对象

　　尽管类实例和数组都是对象，但是java虚拟机创建和操作类实例和数组使用不用指令集：

• 　　创建一个类实例：new
• 　　创建一个数组：newarray，anewarray，multianewarray。
• 　　访问类字段（static fields）和类实例的字段（非静态域）：getstatic,putstatic,getfield,putfield。
• 　　加载数组元素到操作数栈：baload，caload，saload，iaload，laload，faload，daload，aaload。
• 　　从操作数栈中存储一个元素到数组中：bastore，castore，sastore，iastore，lastore，fastore，dastore，aastore
• 　　获取数组的长度：arraylength
• 　　检测类实例或者数组的属性：instanceof，checkcast

2.11.6 操作数栈管理指令

　　提供了一系列指令去直接操作操作数栈：pop, pop2, dup, dup2, dup_x1, dup2_x1, dup_x2, dup2_x2, swap. 

2.11.7 控制转移指令

　　控制转移指令可以让java虚拟机有条件或者无条件的跳转到指定指令处执行，而不是继续执行下一条指令。控制转移指令包括有：

　　条件分支：ifeq, ifne, iflt, ifle, ifgt, ifge, ifnull, ifnonnull, if_icmpeq, if_icmpne, if_icmplt, if_icmple, if_icmpgt if_icmpge, if_acmpeq, if_acmpne. 

　　组合条件分支：tableswitch, lookupswitch. 

　　无条件分支：goto, goto_w, jsr, jsr_w, ret. 

　　java虚拟机在条件分支中比较int和reference类型的值使用不同的指令集。它还有不同的条件分支指令，用于测试null引用，因此不需要为null指定具体的值（参考2.4）。

　　条件分支在boolean，byte，char，和short之间比较时，使用int的比较指令（2.11.1）。对于long类型，float类型和double类型的条件分支比较操作，则会先执行相应类型的比较运算指令（2.11.3）,运算指令会返回一个int结果。随后执行int类型的条件分支比较操作来完成整个分支的跳转。由于各种类型的比较最终都会转换为int类型的比较操作，基于int类型比较的重要性，java虚拟机提供了非常丰富的int类型的条件分支指令。

　　所有int类型的条件分支转移指令都是有符号的比较操作。

2.11.8 方法调用和返回指令

　　下面五个指令用于方法调用：

　　invokevitual调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派（虚方法分派），这也是java语言中最常见的方法分派方式。

　　invokeinterface调用接口的方法，它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象，找出合适的方法进行调用。

　　invokespecial指令用于调用一些需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化方法（2.9），私有方法或者父类的方法。

　　invokestatic指令用于调用一个类的静态方法。

　　invokedynamic指令用于调用的方法是绑定到invokedynamic指令的调用端对象的目标。Java虚拟机将调用端对象绑定到invokedynamic指令的特定词法，这是在第一次执行该指令之前运行引导方法的结果。因此，与调用方法的其他指令不同，invokedynamic指令的每次出现都有一个惟一的链接状态。

　　方法的返回指令通过返回类型来区分，包括：ireturn (用于返回类型是 boolean, byte, char, short,或者 int), lreturn, freturn, dreturn, and areturny以及return指令用于返回值是void的方法，实例初始化方法，类或者接口初始化方法的返回。

2.11.9 抛出异常

 　　在程序中抛出异常使用athrow指令。多个java虚拟机指令在检测到异常情况是也会抛出异常。

2.11.10 同步

　　java虚拟机支持方法同步和方法中一系列指令同步，同步使用同步结构：monitor

　　方法级别的同步是隐式的，作为方法调用和返回的一部分。方法调用指令检查运行时常量池中的method_info结构中的ACC_SYNCHRONIZED标识来区分一个方法是不是同步方法。当调用一个设置了ACC_SYNCHRONIZED标识的方法，执行线程进入monitor，调用这个方法，当方法不管是正常或者异常调用结束时，线程退出monitor。在执行这个方法的时间段内，只有执行的线程拥有这个monitor，没有其他线程可以进入。当调用同步方法时抛出异常，并且在同步方法内部没有处理这个异常，那么这个方法的monitor将在同步方法向外抛出异常前自动退出。

　　指令序列的同步通常使用java编程语言中的synchronized块。java虚拟机提供monitorenter和monitorexit指令来支持这个语法。正确实现synchronized需要编译器和java虚拟机合作完成。

　　结构化锁定（Structured locking）是指在方法调用期间每一个给定的monitor退出都将匹配这个这个monitor之前的进入的情形。由于没法保证所有提交给java虚拟机的代码都会满足结构化锁定，java虚拟机的实现者允许（不是必需的）强制执行下面两条规则来保证结构化锁定。其中T表示一个线程，M表示一个monitor。

　　1、当方法调用完成时，不管时正常结束还是异常退出，T进入M的次数必需和T离开M的次数相等。

　　2、在方法调用过程中，任何时刻都不会出现T离开M的次数多余T进入M的次数。

　　注意，当调用一个同步方法时，java虚拟机自动执行monitor的进入和退出也被认为时在方法调用期间完成。

2.12 类库

　　java虚拟机对于java se平台实现类库必须提供足够的支持。这些类库中的一些类如果没有java虚拟机的协作将无法实现。

　　支持以下功能的类可能需要java虚拟机的特殊支持：

• 　　反射，例如java.lang.reflect中的类和Class类。
• 　　加载和创建一个类或者接口。上面提到的列子也适用于这点
• 　　链接和初始化一个类或者接口。上面提到的列子也适用于这点
• 　　安全，例如java.security包中的类和其它例如SecurityManager的类
• 　　多线程，例如Thread类
• 　　弱引用，例如java.lang.ref包中的类。

　　上面的列表是为了说明问题，而不是全面的介绍类库。这些类或它们提供的功能的详尽列表超出了本规范的范围。有关详细信息，请参阅Java SE平台类库的规范。

2.13 公有设计，私有实现

　　到目前为止，该规范概述了Java虚拟机的公共框架：类文件格式和指令集。这些组件对Java虚拟机的硬件、操作系统和实现独立性至关重要。实现者可能更愿意将它们看作是在每个实现Java SE平台的主机之间安全地通信程序片段的一种方法，而不是作为要严格遵循的蓝图。

　　理解公共设计和私有实现之间的界线是很重要的。Java虚拟机实现必须能够读取类文件，并且必须准确地实现其中Java虚拟机代码的语义。实现此目的的一种方法是将此文档作为规范并按字面意思实现该规范。但是，对于实现者来说，在此规范的约束下修改或优化实现也是完全可行和可取的。只要能够读取类文件格式并维护其代码的语义，实现者就可以以任何方式实现这些语义。只要小心维护正确的外部接口，“底层”是实现者的事情。

　　也有一些例外:调试器、分析器和即时代码生成器都需要访问Java虚拟机的元素，这些元素通常被认为是“隐藏在底层”的。在适当的情况下，Oracle与其他Java虚拟机实现者和工具供应商合作，开发Java虚拟机的公共接口，供这些工具使用，并在整个行业推广这些接口。

　　实现者可以使用这种灵活性为高性能、低内存使用或可移植性定制Java虚拟机实现。在给定的实现中什么是有意义的取决于该实现的目标。实施方案的范围包括:

　　在加载时或执行期间将Java虚拟机代码转换为另一个虚拟机的指令集。

　　在加载时或执行期间将Java虚拟机代码转换为主机CPU的本机指令集(有时称为即时代码生成，或JIT)。

　　精确定义的虚拟机和目标文件格式的存在不需要显著限制实现者的创造力。Java虚拟机的设计目的是支持许多不同的实现，提供新的和有趣的解决方案，同时保持实现之间的兼容性。