作為 Java程序員都知道 Java是跨平臺(tái)的語(yǔ)言，編譯一次到處運(yùn)行，這得益于 JVM字節(jié)碼，這篇文章，我們將一起分析什么是JVM字節(jié)碼？如何查看 JVM字節(jié)碼？JVM字節(jié)碼是如何工作的？

什么 JVM 字節(jié)碼?

Java 源代碼經(jīng)過(guò)編譯器編譯后，就會(huì)生成 JVM 字節(jié)碼，它是一種基于棧的低級(jí)、中立于平臺(tái)的指令架構(gòu)，每個(gè)字節(jié)碼指令都會(huì)在 JVM 上執(zhí)行一系列的操作，如加載、存儲(chǔ)、運(yùn)算、跳轉(zhuǎn)等。它使用基于操作數(shù)棧和局部變量表的執(zhí)行模型。

JVM 字節(jié)碼具有以下特點(diǎn)：

• 獨(dú)立于具體的硬件和操作系統(tǒng)，不同平臺(tái)上的 JVM 可以解釋和執(zhí)行相同的字節(jié)碼文件。
• 相對(duì)于機(jī)器碼和源代碼，JVM 字節(jié)碼是一種更高級(jí)別的抽象，并且比機(jī)器碼更容易閱讀和編寫。
• JVM 字節(jié)碼通過(guò)運(yùn)行時(shí)的即時(shí)編譯器或解釋器執(zhí)行。

因此，只要在不同平臺(tái)上安裝相應(yīng)的 JVM，就能在這些平臺(tái)上運(yùn)行相同的字節(jié)碼，這種特性為 Java 程序提供了很高的可移植性和兼容性。值得注意的是，其他編程語(yǔ)言也可以編譯成 JVM 字節(jié)碼，利用 JVM 的優(yōu)勢(shì)。這些編程語(yǔ)言叫做基于 JVM 的語(yǔ)言，例如 Kotlin、Groovy 等。

如何查看 JVM 字節(jié)碼？

通過(guò) javap -c ClassName指令就可以查看 JVM字節(jié)碼，為了更好的說(shuō)明，下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的 Java程序和對(duì)應(yīng)的 JVM字節(jié)碼示例來(lái)進(jìn)行演示：

1.示例代碼

如下代碼，在控制臺(tái)輸出“Hello, World”：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

使用 javac 命令編譯上述 Java 源代碼后會(huì)生成一個(gè) HelloWorld.class 文件，然后使用javap -c HelloWorld命令查看字節(jié)碼，內(nèi)容如下：

Compiled from "HelloWorld.java"
public class HelloWorld {
  public HelloWorld();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1      // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: getstatic     #2     // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #3     // String Hello, World!
       5: invokevirtual #4     // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return
}

2.字節(jié)碼解釋

(1) 構(gòu)造方法 HelloWorld()

• aload_0: 加載局部變量表中第一個(gè)變量（即this引用）。
• invokespecial #1: 調(diào)用父類（java/lang/Object）的構(gòu)造方法。
• return: 從構(gòu)造方法返回。

(2) main方法

• getstatic #2: 獲取靜態(tài)字段java/lang/System.out，它是一個(gè) PrintStream 對(duì)象。
• ldc #3: 將常量池中索引為3的項(xiàng)（即字符串"Hello, World!"）加載到操作數(shù)棧。
• invokevirtual #4: 調(diào)用 PrintStream 的 println 方法，參數(shù)是棧頂?shù)淖址?/li>
• return: 從main方法返回。

(3) 關(guān)鍵字節(jié)碼指令解析

• aload_0: 加載局部變量表中索引為 0的引用類型變量到操作數(shù)棧。
• invokespecial: 調(diào)用實(shí)例初始化方法和私有方法。
• getstatic: 獲取靜態(tài)字段的值并將其壓入操作數(shù)棧。
• ldc: 將常量池中的常量加載到操作數(shù)棧。
• invokevirtual: 調(diào)用對(duì)象的實(shí)例方法，方法的選擇是基于對(duì)象的運(yùn)行時(shí)類型。

通過(guò)這個(gè)示例，我們可以看到 Java源代碼被編譯成 JVM 字節(jié)碼后是什么樣子。

JVM字節(jié)碼指令集

通過(guò)上述查看 JVM字節(jié)碼的示例，我們可以看到很多 JVM內(nèi)部的指令，比如加載、存儲(chǔ)、運(yùn)算、跳轉(zhuǎn)等。JVM字節(jié)碼指令集（Bytecode Instruction Set）是 JVM用來(lái)執(zhí)行 Java 程序的指令集合，每條字節(jié)碼指令由一個(gè)字節(jié)的操作碼（opcode）和可選的操作數(shù)組成。

以下是 JVM 字節(jié)碼指令集的一些主要類別和具體指令：

1.加載和存儲(chǔ)指令

加載和存儲(chǔ)指令，全稱 Load and Store Instructions，包含以下幾個(gè)指令：

• aload: 從局部變量表加載引用類型變量到操作數(shù)棧。
• astore: 將操作數(shù)棧頂?shù)囊妙愋妥兞看鎯?chǔ)到局部變量表。
• iload: 從局部變量表加載整數(shù)類型變量到操作數(shù)棧。
• istore: 將操作數(shù)棧頂?shù)恼麛?shù)類型變量存儲(chǔ)到局部變量表。
• dload, fload, lload: 加載雙精度浮點(diǎn)數(shù)、單精度浮點(diǎn)數(shù)和長(zhǎng)整數(shù)類型變量。
• dstore, fstore, lstore: 存儲(chǔ)雙精度浮點(diǎn)數(shù)、單精度浮點(diǎn)數(shù)和長(zhǎng)整數(shù)類型變量。

2.算術(shù)運(yùn)算指令

算術(shù)運(yùn)算指令，全稱 Arithmetic Instructions，包含以下幾個(gè)指令：

• iadd: 對(duì)棧頂?shù)膬蓚€(gè)整數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算。
• isub: 對(duì)棧頂?shù)膬蓚€(gè)整數(shù)進(jìn)行減法運(yùn)算。
• imul: 對(duì)棧頂?shù)膬蓚€(gè)整數(shù)進(jìn)行乘法運(yùn)算。
• idiv: 對(duì)棧頂?shù)膬蓚€(gè)整數(shù)進(jìn)行除法運(yùn)算。
• iinc: 對(duì)局部變量表中的整數(shù)變量進(jìn)行自增。
• dadd, fadd, ladd: 加法運(yùn)算（雙精度浮點(diǎn)數(shù)、單精度浮點(diǎn)數(shù)、長(zhǎng)整數(shù)）。
• dsub, fsub, lsub: 減法運(yùn)算（雙精度浮點(diǎn)數(shù)、單精度浮點(diǎn)數(shù)、長(zhǎng)整數(shù)）。

3.類型轉(zhuǎn)換指令

類型轉(zhuǎn)換指令，全稱 Type Conversion Instructions，包含以下幾個(gè)指令：

• i2d: 整數(shù)轉(zhuǎn)雙精度浮點(diǎn)數(shù)。
• i2f: 整數(shù)轉(zhuǎn)單精度浮點(diǎn)數(shù)。
• i2l: 整數(shù)轉(zhuǎn)長(zhǎng)整數(shù)。
• d2i, f2i, l2i: 轉(zhuǎn)換為整數(shù)。

4.對(duì)象操作指令

對(duì)象操作指令，全稱 Object Manipulation Instructions，包含以下幾個(gè)指令：

• new: 創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象實(shí)例。
• newarray: 創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)組。
• anewarray: 創(chuàng)建一個(gè)新的引用類型數(shù)組。
• checkcast: 檢查對(duì)象是否為某一類型的實(shí)例。
• instanceof: 判斷對(duì)象是否是某一類型的實(shí)例。

5.方法調(diào)用和返回指令

方法調(diào)用和返回指令，全稱 Method Invocation and Return Instructions，包含以下幾個(gè)指令：

• invokestatic: 調(diào)用靜態(tài)方法。
• invokevirtual: 調(diào)用實(shí)例方法，根據(jù)對(duì)象的實(shí)際類型進(jìn)行分派。
• invokespecial: 調(diào)用實(shí)例初始化方法、私有方法和父類方法。
• invokeinterface: 調(diào)用接口方法。
• return: 從方法返回（無(wú)返回值）。
• ireturn, dreturn, freturn, lreturn, areturn: 從方法返回（返回值為整數(shù)、雙精度浮點(diǎn)數(shù)、單精度浮點(diǎn)數(shù)、長(zhǎng)整數(shù)、引用類型）。

6.控制流指令

控制流指令，全稱 Control Flow Instructions，包含以下幾個(gè)指令：

• goto: 無(wú)條件跳轉(zhuǎn)。
• ifeq: 如果棧頂整數(shù)為0，則跳轉(zhuǎn)。
• ifne: 如果棧頂整數(shù)不為0，則跳轉(zhuǎn)。
• iflt, ifge, ifgt, ifle: 比較棧頂整數(shù)，并根據(jù)結(jié)果跳轉(zhuǎn)。
• tableswitch: 用于switch語(yǔ)句的多路分支跳轉(zhuǎn)。
• lookupswitch: 用于switch語(yǔ)句的查找表跳轉(zhuǎn)。

7.異常處理指令

異常處理指令，全稱 Exception Handling Instructions，包含以下幾個(gè)指令：

• athrow: 拋出異?；蝈e(cuò)誤。
• try-catch塊：通過(guò)異常表實(shí)現(xiàn)，不是具體的字節(jié)碼指令。

8.同步指令

同步指令，全稱 Synchronization Instructions，包含以下幾個(gè)指令：

• monitorenter: 獲取對(duì)象的監(jiān)視器鎖。
• monitorexit: 釋放對(duì)象的監(jiān)視器鎖。

9.棧操作指令

棧操作指令，全稱 Stack Operations Instructions，包含以下幾個(gè)指令：

• pop: 彈出棧頂?shù)囊粋€(gè)元素。
• dup: 復(fù)制棧頂?shù)囊粋€(gè)元素。
• swap: 交換棧頂?shù)膬蓚€(gè)元素。

JVM 如何執(zhí)行字節(jié)碼？

JVM 字節(jié)碼的執(zhí)行過(guò)程主要依賴于 Java 虛擬機(jī)的解釋器和即時(shí)編譯器（Just-In-Time Compiler，簡(jiǎn)稱JIT）。JVM會(huì)將字節(jié)碼讀取到內(nèi)存中，并逐條解釋執(zhí)行，或者將熱點(diǎn)代碼編譯為機(jī)器碼來(lái)提高執(zhí)行效率。

為了更好地說(shuō)明 JVM 字節(jié)碼的執(zhí)行過(guò)程，我們還是通過(guò)一個(gè)具體的示例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

1.示例代碼

這里以 a + b 求和為例，代碼如下：

public class Sum {
    public static int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

使用 javap -c Sum 命令獲取字節(jié)碼，具體信息如下：

Compiled from "Sum.java"
public class Sum {
  public Sum();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1     // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static int add(int, int);
    Code:
       0: iload_0
       1: iload_1
       2: iadd
       3: ireturn
}

2.字節(jié)碼解釋

(1) 構(gòu)造方法 Sum()

• aload_0: 加載局部變量表中第一個(gè)變量（即this引用）。
• invokespecial #1: 調(diào)用父類（java/lang/Object）的構(gòu)造方法。
• return: 從構(gòu)造方法返回。

(2) add()方法

• iload_0: 加載局部變量表中索引為0的整數(shù)（即參數(shù)a）到操作數(shù)棧。
• iload_1: 加載局部變量表中索引為1的整數(shù)（即參數(shù)b）到操作數(shù)棧。
• iadd: 彈出操作數(shù)棧頂?shù)膬蓚€(gè)整數(shù)，進(jìn)行加法運(yùn)算，并將結(jié)果壓入操作數(shù)棧。
• ireturn: 從方法返回，并將操作數(shù)棧頂?shù)恼麛?shù)作為返回值。

3.執(zhí)行過(guò)程

假設(shè)我們?cè)诹硪粋€(gè)類中調(diào)用Sum.add(2, 3)，執(zhí)行過(guò)程如下：

• JVM將參數(shù) 2和 3壓入局部變量表，iload_0指令將參數(shù) 2加載到操作數(shù)棧。
• iload_1指令將參數(shù) 3加載到操作數(shù)棧。
• iadd指令彈出操作數(shù)棧頂?shù)膬蓚€(gè)值（2和3），進(jìn)行加法運(yùn)算，將結(jié)果5壓入操作數(shù)棧。
• ireturn指令將操作數(shù)棧頂?shù)闹担?）作為返回值返回給調(diào)用者。

總結(jié)

本文，我們分析了什么是JVM字節(jié)碼，如何查看JVM字節(jié)碼以及JVM如何執(zhí)行字節(jié)碼，掌握這些底層不但可以幫助我們更好的理解，為什么 Java可以編譯一次，到處運(yùn)行，還可以幫助我們更好的了解 Java的運(yùn)行機(jī)制以及理解 Java的編程精髓。