类文件结构(二)

3、字节码指令简介

Java虚拟机的指令由一个字节长度的、代表着某种特定操作含义的数字以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数而构成。由于Java虚拟机采用面向操作数栈而不是寄存器的架构，所以大多数的指令都不包含操作数，只有一个操作码。

3.1 字节码与数据类型

在Java虚拟机的指令集中，大多数的指令都包含了其操作所对应的数据类型信息。Java虚拟机所支持的与数据类型相关的字节码指令通过使用数据类型列所代表的特殊字符替换T，就可以得到一个具体的字节码指令。如果指令模版与数据类型两列共同确定的格为空，则说明虚拟机不支持对这种数据类型执行这项操作。

3.2 加载与存储指令

用于将数据在栈帧中的局部变量表和操作数栈之间来回传输。这类指令包括：

1）将一个局部变量加载到操作栈：iload,iload<n>,lload,lload<n>等；

2）将一个数值从操作数栈存储到局部变量表：istore,istore<n>等；

3）将一个常量加载到操作数栈：bipush,sipush等；

存储数据的操作数栈和局部变量表主要就是由加载和存储指令进行操作。

3.3 运算指令

运算或算术指令用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算，并将结果重新存入到操作栈顶。算术指令有：加法、减法、乘法、除法、求余、取反、位移、按位或、按位与、按位异或、局部变量自增、比较。

3.4 类型转换指令

用于将两种不同饿数值类型进行相互转换，一般用于实现用户代码中的显式类型转换操作，或者用于处理字节码指令集中数据类型相关指令无法与数据类型一一对应的问题。

Java虚拟机直接支持宽化类型转换，处理窄化类型转换必须显示地使用转换指令来完成。

3.5 对象创建与访问指令

1）创建类实例的指令：new；

2）创建数组的指令：newarray,anewarray,multianewarray;

3）访问类字段和实例字段：getfield,putfield,getstatic,putstatic;

4）把一个数组元素加载到操作数栈的指令：baload,caload,saload,iaload等；

5）将一个操作数栈的值存储到数组元素中的指令：bastore,castore等；

6）取数组长度的指令：arraylength ;

7）检查类实例类型的指令：instanceof,checkcast;

3.6 操作数栈管理指令

如同操作一个普通数据结构中的堆栈，Java虚拟机提供了一些用于直接操作操作数栈的指令。如：

1）将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈：pop，pop2；

2）复制栈顶一个或两个数值并将复制值或双份的复制值重新压入栈顶：dup,dup2,dup_x1,dup_x2,dup2_x1,dup2_x2;

3)交换栈最顶端的两个数值：swap；

3.7 控制转移指令

控制转移指令可以让Java虚拟机有条件或无条件地从指定的位置指令而不是控制转移指令的下一条指令继续执行程序，可以认为控制转移指令就是在有条件或无条件地修改PC寄存器的值。控制转移指令包括：条件分支，复合条件分支，无条件分支。

3.8方法调用和返回指令

1）invokevirtual指令用于调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派；

2）invokeinterface指令用于调用接口方法，它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象，找到合适的方法进行调用；

3）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、私有方法和父类方法；

4）invokestatic指令用于调用类方法；

5）invokedynamic指令用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，并执行该方法；

3.9 异常处理指令

在Java程序中显式抛出异常的操作都有athrow指令来实现，除了用throw语句显示抛出异常情况外，Java虚拟机规范还规定了许多运行时异常会在其他Java虚拟机指令监测到异常状况时自动抛出。在Java虚拟机中，处理异常不是由字节码指令来实现的，而是采用异常表来完成的。

3.10 同步指令

Java虚拟机支持方法级的同步和方法内部一段指令序列的同步，这两种同步结构都是使用管程Monitor来支持的。方法级的同步是隐式的，即无须通过字节码指令来控制，它实现在方法调用和返回操作之中。虚拟机可以从方法常量池的方法表结构中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志得知一个方法是否声明为同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程就要求先成功持有管程，然后才能执行方法，最后当方法完成（无论正常完成还是非正常完成）时释放管程。在方法执行期间，执行线程持有了管程，其他任何线程都无法在获取到同一个管程。如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那么一个同步方法所持有的管程将在异常抛到同步方法之外时自动释放。

同步一段指令集序列通常是由Java语言中的synchronized语句块来表示的，Java虚拟机的指令集中有monitorenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字的语义，正确实现synchronized关键字需要Javac编译器与Java虚拟机两者共同协作支持。

编译器必须确保无论方法通过何种方式完成，方法中调用过的每条monitorenter指令都必须执行其对应的monitorexit指令，而无论这个方法是正常结束还是异常结束。