JVM分析

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- 关于JVM执行模型。Java虚拟机（JVM）是基于栈结构的，也就是Java代码运行在Java虚拟机线程中，而每一个线程拥有多个执行栈，执行栈由多个帧组成，每执行一个方法，则在执行栈中产生一个帧，即方法被触发时，一个新产生的帧将被Push到当前线程的执行栈中，当该方法执行完毕正常返回或者发生异常时，该帧将被Pop出执行栈。

• 关于帧。每个帧由本地变量（Local Variables）和操作栈（Operand Stack）两部分组成。

变量

局部变量

java
int i=5;


被编译成：

java
0: bipush 5
2: istore_0


操作码 说明 bipush x push一个Byte类型的x作为Int整型值到操作栈，上例中将5加入到操作栈 istore_y 将操作栈中的相应的Int整型值变量pop出操作栈，然后存储到本地变量数组中,y表示在操作栈中的位置。

内存中转换情况：

成员变量

public class SimpleClass {    public int simpleField = 100;}

被编译成;

public SimpleClass();  Code:    stack=2, locals=1, args_size=1       0: aload_0       1: invokespecial #1      //调用Object的init构造方法       4: aload_0       5: bipush        100       7: putfield      #2      //成员变量simpleField` 类型为int整型      10: return

– – 操作码 说明 aload_0 读取帧本地变量的值然后push到操作栈中。即从局部变量表的相应位置装载一个对象引用到操作数栈的栈顶。本例代码中没有构造函数，但是编译器会默认创建相应的构造函数，因此该变量实际上指向this，aload_0把this装载到操作数栈中。这里的0表示在局部变量表中的相应位置，然后将对象的引用装载到操作数栈中。 invokespecial 该指令调用实例的初始化方法，包含私有方法以及当前类的父类方法。它属于一组以不同方式调用方法的操作码，该组操作码有：invokedymanic、invokeinterface、invokestatic、invokevirtual。其中invokespecial用于调用父类构造方法的指令，例如java.lang.Object的构造方法。 bipush 将int整型值放入操作栈中，这里是将100放入操作栈中。（该指令同上节） putfield 从运行时的常量池中取出一个指向成员变量的引用，然后该成员变量的值及其对应的对象都会从操作数栈中弹出。本例中，成员变量为SimpleField，首先第4步aload_0向操作数栈中添加了对象，然后bipush向 操作数栈中添加了100，最后putfield从栈中弹出这两个值，这个对象的simpleField的值被设为了100。

条件选择

if-else

public int greaterThen(int intOne, int intTwo) {    if (intOne > intTwo) {        return 0;    } else {        return 1;    }}

该方法会编译成以下字节码：

0: iload_11: iload_22: if_icmple     75: iconst_06: ireturn7: iconst_18: ireturn

首先使用iload_1和iload_2将两个参数加载到操作栈中，然后使用if_Icomple比较操作栈顶的两个值大小，如果intOne小于intTwo，则跳转到位置7，否则继续。

if_icomple：比较栈顶两个int值大小，小于或等于0时跳转

ireturn：从当前方法返回int

注：

iconst_0表示将int类型的0 push进操作栈，该组还有其他类型的操作指令

– – iconst_o push Int类型0进栈 aconst_null push null进栈 fconst_0 push float类型进栈 dconst_0 push double类型进栈 bipush push byte类型进栈（单字节常量值-128~127） sipush push short类型进栈（端正新常量值-32768~32767）

示例2：

public int greaterThen(float floatOne, float floatTwo) {    int result;    if (floatOne > floatTwo) {        result = 1;    } else {        result = 2;    }    return result;}

编译成的字节码：

0: fload_1 1: fload_2 2: fcmpl 3: ifle          11 6: iconst_1 7: istore_3 8: goto          1311: iconst_212: istore_313: iload_314: ireturn

• fload_1和fload_2将参数推送至栈顶
• fcmpl：比较栈顶两个float类型值大小，将结果（1、0、-1）推送栈顶。若有一个数值为NaN，将-1推送栈顶
• ifle：栈顶int值小于0跳转
• istore_3：将栈顶int值传入第三个本地变量

Switch

switch表达式支持char、byte、short、int、string或enum类型，JVM对于Switch提供了两个指令：tableswitch以及lookupswitch，它们都支持对int值进行操作，而char、byte、short以及enum都可以在内部转换成为int。

• tableswitch：用于switch条件跳转，case值连续
• lookupswitch：用于switch条件跳转，case值不连续

tableswitch

tableswitch是列出最大值与最小值之间所有的case值（不管它是否出现在Java代码中），如果JVM发现switch变量不在最值范围内，则直接跳转到default代码块，在最值范围内，如果出现在代码中，则跳转到相应位置，若没有出现在代码块中，跳转到default处。它可以保证最值范围内每个case值都有相应的结果。

示例：

public int simpleSwitch(int intOne) {    switch (intOne) {        case 0:            return 3;        case 1:            return 2;        case 4:            return 1;        default:            return -1;    }}

被编译成：

0: iload_1 1: tableswitch   {         default: 42             min: 0             max: 4               0: 36               1: 38               2: 42               3: 42               4: 40    }36: iconst_337: ireturn38: iconst_239: ireturn40: iconst_141: ireturn42: iconst_m143: ireturn

这里tableswitch有0、1和4三个值，每个值对应了相应的代码块，同时还包含了最值范围内其他的值2和3，不过他们不是需要寻找的case值，所以指向了default处。

当指令执行时，首先判断是否在最值内，如果不在则直接转到default（default索引总是出现在第一个字节）处，如果她在最值中，则依次寻找满足的条件跳转到相应的位置。

lookupswitch

如果最值范围太大，而case值很稀疏，那么tableswitch则会消耗很多内存。此时使用lookupswitch更好，它只会列出对应的case值的跳转，而不是每一个介于最值间的跳转。

示例：

public int simpleSwitch(int intOne) {    switch (intOne) {        case 10:            return 1;        case 20:            return 2;        case 30:            return 3;        default:            return -1;    }}

被编译成：

0: iload_1 1: lookupswitch  {         default: 42           count: 3              10: 36              20: 38              30: 40    }36: iconst_137: ireturn38: iconst_239: ireturn40: iconst_341: ireturn42: iconst_m143: iretur

这里为了保证算法的性能，索引匹配的值是有序的。

循环

While循环

示例：

public void whileLoop() {    int i = 0;    while (i < 2) {        i++;    }}

0: iconst_0 1: istore_1 2: iload_1 3: iconst_2 4: if_icmpge     13 7: iinc          1, 110: goto          213: return

• iconst_0：将int型0放入操作栈
• istore_1：将操作栈顶0存入本地变量
• iload_1：将第二个本地变量推送至栈顶
• iconst_2：将int型2推送至栈顶
• if_icmpge：比较栈顶两个int型值大小，结果大于0时跳转（此时如果栈底大于栈顶值，则跳出while循环，转到13步，直接return）
• iinc：将指定int型变量增加指定值，这里iinc 1，1：在局部变量表第一个值加1

for循环

for循环与while循环在字节码层面上是相同的，因为所有while循环都可以转换成为for循环，例如上例中的while循环可以转换成如下的for循环，他们的字节码也是之前那个。

public void forLoop() {    for(int i = 0; i < 2; i++) {        //do nothing    }}

do-while循环

示例：

public void doWhileLoop() {    int i = 0;    do {        i++;    } while (i < 2);}

被编译成：

0: iconst_0 1: istore_1 2: iinc          1, 1 5: iload_1 6: iconst_2 7: if_icmplt     210: return

• iconst_0：int型0放入操作栈
• istore_1：将0放入本地变量
• iinc：本地变量0加1
• iload_1：此处将本地变量载入操作栈（由于是i++，所以返回原来的值，还是0）
• iconst_2：将2载入栈顶
• if_icmplt：进行比较，如果大于0 ，转到第二步继续循环

文献

从Java代码到字节码