浅谈 JVM 3：指令集及其执行

本文主要是介绍浅谈 JVM 3：指令集及其执行，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

上文我们聊了如何参考 JVM 规范 解读 Java 字节码。但对于字节码方法字段 Code 中的 JVM 指令 执行过程我们留下了疑问，这次我们来谈谈。

运行时区域

我们先来看一下更加详细一些的 JVM 逻辑区域划分。

可以看出，在 JVM 中主要划分为 5 块区域：

• 方法区
• Java 堆
• 程序计数器
• Java 栈
• 本地方法栈

在执行字节码前，虚拟机需要先将 .class 文件加载进来。相关类的信息会存放在 方法区 中。Code 字段的信息就会放在此区域，后续配合 Java 方法栈 执行。

当我们通过 new Ojbect() 或反射等方式创建对象时，JVM 会在 Java 堆 中为对象分配内存。

方法区 和 Java 方法栈 为线程公有内存区域，所以当我们多线程访问同一个对象时，需要进行加锁操作，来处理线程并发处理数据所引发的问题。锁操作的实现，也和指令集相关。

其他三个均为线程私有区域。

程序计数器 保存当前线程中，当前执行的字节码指令位置。

Java 方法栈 为 栈 型数据结构，具有后进先出的特性。其组成元素为 栈帧。每当执行一个方法时，会根据该方法对应的 Code 属性生成对应栈帧，压入到栈中。方法执行完毕时，栈帧出栈。当前正在执行的方法处在栈顶的位置。本地方法栈 和 Java 方法栈 类似，不过它处理的是 C++ 编写的 native 方法。

每个 栈帧 包括局部变量表、操作数栈、动态连接、返回值等内容。动态连接为指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，目的是为支持方法调用的动态连接。动态连接是 Java 支持动态特性的关键所在，此部分我们之后专门花篇幅介绍，此处先浅尝辄止。返回值则代表当前方法计算结果，返回给上一级调用方法。

局部变量表 用于存放方法参数和内部定义的局部变量。在字节码中方法的 Code 属性定义了 max_locals 属性表示局部变量表的最大容量。局部变量表以 变量槽 为单位存储数据。其实际占用内存空间大小虚拟机规范并未规定，可由虚拟机各自实现。只要求一个变量槽可存储下 boolean、byte、char、short、int、float 等类型数据。所以对于 double、long 类型数据会占用两个变量槽的空间。boolean 在此被使用 0、1 存储。由此可以看出，JVM 中的类型和 Java 代码中的类型并不一致。

操作数栈 也是一个后进先出栈，其最大深度同样在 Code 中有所体现。这块区域供字节码指令调用时使用，保存指令调用所需参数和结果。

运行时栈帧结构和指令集

对于 JVM 指令集，可以参考官方文档。

在此，我们结合一段简单代码，了解一下常见指令集。

Java 代码如下：

private int getThisIsInt() {
    int a = 2;
    return mThisIsInt * a;
}

编译后字节码如下：

0 iconst_2
1 istore_1
2 aload_0
3 getfield #7 <Demo.mThisIsInt : I>
6 iload_1
7 imul
8 ireturn

• iconst_2 将 int 类型常量 2 压栈到操作数栈中
• istore_1 将操作数栈的 int 值出栈，放入局部变量表槽位 1 的地方
• aload_0 加载局部变量表槽位 0 处的引用到操作数栈中，此处为当前对象的引用 objectref
• getfield #7 获取当前类的运行时常量池 #7 变量，此指令执行完后，objectref 出栈，获取到的值入栈
• iload_1 从局部变量表槽位 1 处加载值到操作数栈中
• imul 将操作数栈中靠近栈顶的两个值出栈，做乘法，将结果压栈
• ireturn 将当前方法操作数栈中的值出栈，并压栈到调用者方法的操作数栈中

可对照下图梳理指令执行时，局部变量表和操作数栈的变化情况。

JVM 指令集较多，限于篇幅无法一一介绍。但其遵循一定规律，如下。

• Tload_X：将局部变量表数据加载到操作数栈中，T 为类型，如 iload 为加载 int 类型，fload 加载 float 类型。X 为局部变量表槽位索引
• Tstore_X：将操作数栈数据出栈，存入局部变量表。T、X 和上文含义一致
• Tconst_X：将 T 类型常量 X 压入操作数栈
• Tmul：将操作数栈的两个 T 类型常量相乘，结果放入操作数栈。类似的有除法 Tdiv、加法 Tadd 等
• i2b：int 类型转换为 byte 数据，类似指令有 i2c、f2i 等
• new：对象创建指令
• ifeq：分支控制指令，类似指令有 iflt、ifnull、goto 等
• invokevirtual：方法调用指令，类似指令有 invokespecial、invokestatic 等
• monitorenter：同步指令，有加锁操作时会添加此指令，对应 monitorexit 代表退出同步

更加详细的指令介绍，请参考 官方文档。

总结

本次我们了解了 JVM 运行时区域划分，指令集运行时所依赖的局部变量表和操作数栈等结构，和指令集的类型和操作影响。

指令集中包含了锁操作对应的 monitorenter、monitorexit 指令，和方法调用对应的 invokevirtual 等指令。这些指令和 JVM 实现线程安全和方法的动态连接密切关联。线程安全在我们日常开发中至关重要。方法的继承和重写又是面向对象语言的重要特征。所以 在 JVM 层面，这些都是如何实现的呢？我们下次有时间再聊。

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