Java字节码指令详解，1 万字20 张图带你彻底掌握字节码指令

大家好，我是二哥呀。字节码指令是 JVM 体系中比较难啃的一块硬骨头，我估计有些球友会有这样的疑惑，“这么难啃，我还能学会啊？”

讲良心话，不是我谦虚，一开始学 Java 字节码和 Java 虚拟机方面的知识我也头大！但硬着头皮学了一阵子之后，突然就开窍了，觉得好有意思，尤其是明白了 Java 代码在底层竟然是这样执行的时候，感觉既膨胀又飘飘然，浑身上下散发着自信的光芒！

来吧，跟着二哥一起来学习吧，别畏难。前面我们已经讲过了，JVM 是基于栈结构的字节码指令集，那今天我们就来继续来学习，什么是字节码指令。

Java 的字节码指令由操作码和操作数组成：

• 操作码（Opcode）：一个字节长度（0-255，意味着指令集的操作码总数不可能超过 256 条），代表着某种特定的操作含义。
• 操作数（Operands）：零个或者多个，紧跟在操作码之后，代表此操作需要的参数。

由于 Java 虚拟机是基于栈而不是寄存器的结构，所以大多数字节码指令都只有一个操作码。比如 aload_0 就只有操作码没有操作数，而 invokespecial #1 则由操作码和操作数组成。

• aload_0：将局部变量表中下标为 0 的数据压入操作数栈中
• invokespecial #1：调用成员方法或者构造方法，并传递常量池中下标为 1 的常量

字节码指令主要有以下几种，分别是：

• 加载与存储指令
• 算术指令
• 类型转换指令
• 对象的创建与访问指令
• 方法调用和返回指令
• 操作数栈管理指令
• 控制转移指令

我们来一一说明下。

加载与存储指令

加载（load）和存储（store）指令是使用最频繁的指令，用于将数据从栈帧的局部变量表和操作数栈之间来回传递。

看下面这段代码。

public int add(int a, int b) {
    int result = a + b;
    return result;
}

使用 javap 查看字节码指令（大致）如下：

public int add(int, int);
    Code:
       0: iload_1
       1: iload_2
       2: iadd
       3: istore_3
       4: ireturn

我用下面一幅图来给大家说明白字节码指令的执行过程：

然后我们再来分析 load 和 store 指令的具体含义。

1）将局部变量表中的变量压入操作数栈中

• xload_<n>（x 为 i、l、f、d、a，n 默认为 0 到 3），表示将第 n 个局部变量压入操作数栈中。
• xload（x 为 i、l、f、d、a），通过指定参数的形式，将局部变量压入操作数栈中，当使用这个指令时，表示局部变量的数量可能超过了 4 个

解释一下。

x 为操作码助记符，表明是哪一种数据类型。见下表所示。

像 arraylength 指令，就没有操作码助记符，它没有代表数据类型的特殊字符，但操作数只能是一个数组类型的对象。

大部分的指令都不支持 byte、short 和 char，甚至没有任何指令支持 boolean 类型。编译器会将 byte 和 short 类型的数据带符号扩展（Sign-Extend）为 int 类型，将 boolean 和 char 零位扩展（Zero-Extend）为 int 类型。

举例来说。

private void load(int age, String name, long birthday, boolean sex) {
    System.out.println(age + name + birthday + sex);
}

通过 jclasslib 看一下 load() 方法（4 个参数）的字节码指令。

• iload_1：将局部变量表中下标为 1 的 int 变量压入操作数栈中。
• aload_2：将局部变量表中下标为 2 的引用数据类型变量（此时为 String）压入操作数栈中。
• lload_3：将局部变量表中下标为 3 的 long 型变量压入操作数栈中。
• iload 5：将局部变量表中下标为 5 的 int 变量（实际为 boolean）压入操作数栈中。

通过查看局部变量表就能关联上了。

2）将常量池中的常量压入操作数栈中

根据数据类型和入栈内容的不同，又可以细分为 const 系列、push 系列和 Idc 指令。

const 系列，用于特殊的常量入栈，要入栈的常量隐含在指令本身。

push 系列，主要包括 bipush 和 sipush，前者接收 8 位整数作为参数，后者接收 16 位整数。

Idc 指令，当 const 和 push 不能满足的时候，万能的 Idc 指令就上场了，它接收一个 8 位的参数，指向常量池中的索引。

• Idc_w：接收两个 8 位数，索引范围更大。
• 如果参数是 long 或者 double，使用 Idc2_w 指令。

举例来说。

public void pushConstLdc() {
    // 范围 [-1,5]
    int iconst = -1;
    // 范围 [-128,127]
    int bipush = 127;
    // 范围 [-32768,32767]
    int sipush= 32767;
    // 其他 int
    int ldc = 32768;
    String aconst = null;
    String IdcString = "沉默王二";
}

通过 jclasslib 看一下 pushConstLdc() 方法的字节码指令。

• iconst_m1：将 -1 入栈。范围 [-1,5]。
• bipush 127：将 127 入栈。范围 [-128,127]。
• sipush 32767：将 32767 入栈。范围 [-32768,32767]。
• ldc #6 <32768>：将常量池中下标为 6 的常量 32768 入栈。
• aconst_null：将 null 入栈。
• ldc #7 <沉默王二>：将常量池中下标为 7 的常量“沉默王二”入栈。

3）将栈顶的数据出栈并装入局部变量表中

主要是用来给局部变量赋值，这类指令主要以 store 的形式存在。

• xstore_<n>（x 为 i、l、f、d、a，n 默认为 0 到 3）
• xstore（x 为 i、l、f、d、a）

明白了 xload_<n> 和 xload，再看 xstore_<n> 和 xstore 就会轻松得多，作用反了一下而已。

大家来想一个问题，为什么要有 xstore_<n> 和 xload_<n> 呢？它们的作用和 xstore n、xload n 不是一样的吗？

xstore_<n> 和 xstore n 的区别在于，前者相当于只有操作码，占用 1 个字节；后者相当于由操作码和操作数组成，操作码占 1 个字节，操作数占 2 个字节，一共占 3 个字节。

由于局部变量表中前几个位置总是非常常用，虽然 xstore_<n> 和 xload_<n> 增加了指令数量，但字节码的体积变小了！

举例来说。

public void store(int age, String name) {
    int temp = age + 2;
    String str = name;
}

通过 jclasslib 看一下 store() 方法的字节码指令。

• istore_3：从操作数中弹出一个整数，并把它赋值给局部变量表中索引为 3 的变量。
• astore 4：从操作数中弹出一个引用数据类型，并把它赋值给局部变量表中索引为 4 的变量。

通过查看局部变量表就能关联上了。

算术指令

算术指令用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算，并把结果重新压入操作数栈。可以分为两类：整型数据的运算指令和浮点数据的运算指令。

这一节可以回顾一下 Java 运算符 ，就可以把一些非常简单的算术运算和 JVM 关联起来了。

需要注意的是，数据运算可能会导致溢出，比如两个很大的正整数相加，很可能会得到一个负数。但 Java 虚拟机规范中并没有对这种情况给出具体结果，因此程序是不会显式报错的。所以，大家在开发过程中，如果涉及到较大的数据进行加法、乘法运算的时候，一定要注意！

当发生溢出时，将会使用有符号的无穷大 Infinity 来表示；如果某个操作结果没有明确的数学定义的话，将会使用 NaN 值来表示。而且所有使用 NaN 作为操作数的算术操作，结果都会返回 NaN。

举例来说。

public void infinityNaN() {
    int i = 10;
    double j = i / 0.0;
    System.out.println(j); // Infinity

    double d1 = 0.0;
    double d2 = d1 / 0.0;
    System.out.println(d2); // NaN
}

• 任何一个非零的数除以浮点数 0（注意不是 int 类型），可以想象结果是无穷大 Infinity 的。
• 把这个非零的数换成 0 的时候，结果又不太好定义，就用 NaN 值来表示。

Java 虚拟机提供了两种运算模式：

• 向最接近数舍入：在进行浮点数运算时，所有的结果都必须舍入到一个适当的精度，不是特别精确的结果必须舍入为可被表示的最接近的精确值，如果有两种可表示的形式与该值接近，将优先选择最低有效位为零的（类似四舍五入）。
• 向零舍入：将浮点数转换为整数时，采用该模式，该模式将在目标数值类型中选择一个最接近但是不大于原值的数字作为最精确的舍入结果（类似取整）。

我把所有的算术指令列一下：

• 加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd
• 减法指令：isub、lsub、fsub、dsub
• 乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul
• 除法指令：idiv、ldiv、fdiv、ddiv
• 求余指令：irem、lrem、frem、drem
• 自增指令：iinc

举例来说。

public void calculate(int age) {
    int add = age + 1;
    int sub = age - 1;
    int mul = age * 2;
    int div = age / 3;
    int rem = age % 4;
    age++;
    age--;
}

通过 jclasslib 看一下 calculate() 方法的字节码指令。

• iadd，加法
• isub，减法
• imul，乘法
• idiv，除法
• irem，取余
• iinc，自增的时候 +1，自减的时候 -1

类型转换指令

类型转换指令可以分为两种：

1）宽化，小类型向大类型转换，比如 int–>long–>float–>double，对应的指令有：i2l、i2f、i2d、l2f、l2d、f2d。

• 从 int 到 long，或者从 int 到 double，是不会有精度丢失的；
• 从 int、long 到 float，或者 long 到 double 时，可能会发生精度丢失；
• 从 byte、char 和 short 到 int 的宽化类型转换实际上是隐式发生的，这样可以减少字节码指令，毕竟字节码指令只有 256 个，占一个字节。

2）窄化，大类型向小类型转换，比如从 int 类型到 byte、short 或者 char，对应的指令有：i2b、i2s、i2c；从 long 到 int，对应的指令有：l2i；从 float 到 int 或者 long，对应的指令有：f2i、f2l；从 double 到 int、long 或者 float，对应的指令有：d2i、d2l、d2f。

• 窄化很可能会发生精度丢失，毕竟是不同的数量级；
• 但 Java 虚拟机并不会因此抛出运行时异常。

可以回想一下前面讲过的：自动类型转换与强制类型转换

举例来说。

public void updown() {
    int i = 10;
    double d = i;

    float f = 10f;
    long ong = (long)f;
}

通过 jclasslib 看一下 updown() 方法的字节码指令。

• i2d，int 宽化为 double
• f2l， float 窄化为 long

对象的创建和访问指令

Java 是一门面向对象的编程语言，那么 Java 虚拟机是如何从字节码层面进行支持的呢？

1）创建指令

数组是一种特殊的对象，它创建的字节码指令和普通对象的创建指令不同。创建数组的指令有三种：

• newarray：创建基本数据类型的数组
• anewarray：创建引用类型的数组
• multianewarray：创建多维数组

而对象的创建指令只有一个，就是 new，它会接收一个操作数，指向常量池中的一个索引，表示要创建的类型。

举例来说。

public void newObject() {
    String name = new String("沉默王二");
    File file = new File("无愁河的浪荡汉子.book");
    int [] ages = {};
}

通过 jclasslib 看一下 newObject() 方法的字节码指令。

• new #13 <java/lang/String>，创建一个 String 对象。
• new #15