java是很简单的，但是这背后支撑着java的是什么？

引言

jvm是一台虚拟机，能够执行java字节码，也就是java的汇编。

本篇文章将避免涉及具体的指令，从了解的程度来描述java字节码设计。

虚拟机结构

重点内容（为了方便理解，以下内容做了简化）

对于每一个class，有一个常量池、静态变量表

对于每一个实例对象，有一个成员变量表

对于每一个function，有一个局部变量表（类似list）、一个操作数堆栈

与8086汇编的区别

  1. 弃用了标志位、寄存器

  2. java字节码属于精简指令集，8086汇编属于复杂指令集

  3. 引入了局部变量表、常量池

  4. 有些不是可执行代码片段（包括函数标记、类标记）

    • 因此，java字节码保留了类、函数的概念，可以像高级语言一样调用函数

  5. 更多抽象类型的支持，的基本类型：

    1. 基本类型
      • int
      • byte
      • short
      • long
      • float
      • double
      • char
      • boolean
    2. 引用类型
      • 类实例
      • 数组
      • 接口

  6. java字节码更高级，难以使用逻辑电路实现

    • 异常处理
    • 字节码级别的面向对象
    • 字节码级别的多线程锁
    • 自动管理的函数调用（传参、返回）
    • 还隐含了runtime与jvm之间的各种操作，例如
      • 自动内存管理
      • 动态加载、反射

优势与代价

作为高级汇编，优势有

  • 是一个抽象层，模糊了不同架构CPU之间的差异，易于跨平台
  • 在汇编层面实现了面向对象支持，提高了简便性

但同时也有缺陷

  • 增加了抽象、面向对象、runtime的代价
  • 简便性的同时也意味着失去了灵活性，使得java难以在编译的时候进行优化（字节码层面的优化），各项优化高度依赖运行时

字节码设计

java的指令长度都是一个字节，因此叫做字节码。（不算额外参数）

同样，java字节码也有显式参数与隐含参数。

指令 显式参数 隐含参数（堆栈） 影响
加法运算 无 堆栈上栈顶两个参数 弹出栈`1顶两个元素并将运算结果压栈
无条件跳转 目标位置偏移量 无 程序逻辑跳转
函数调用 函数地址 堆栈上的参数 弹出对应参数（如有）并压入返回值（如有）

另外，大部分指令都是对当前堆栈进行操作（除开几个局部变量表与堆栈的载入/读取指令会涉及局部变量表），所以常常需要你先把参数从局部变量表中加载到堆栈中，执行完指令，再把值存回去

无关紧要的东西（嵌入指令内的参数注）

java设计者发现有些指令常常跟着特定的参数，比如在java中我们经常这样写：

1
int a=0;

我使用一种伪汇编来描述这个过程

1
2
int_push_stack 0        ;将int 0入栈
store_local_varible 2   ;将堆栈pop，值传到本地变量表index为2的地方（index的值是我编的）

然后java设计者就觉得这个数字0太常用了，就专门搞了一个指令int_push_stack_0，用来代表参数是0的情况。同理，这个存入本地变量表index为2也很常用，就搞了一个指令store_local_varible_2

1
2
int_push_stack_0        
store_local_varible_2

这样做有什么好处呢？直接节省了71%的空间！（从7字节到2字节）

补充说明

有的地方会说这是嵌入了参数的指令，但实际上这些字节码几乎是完全不同的，不能把他看成复杂指令集的东西。从字节码的视角来看，这些都是不同的指令；从操作逻辑来看，可以将其看作一个指令，嵌入了不同参数。

助记符/伪码

详细的内容请参阅这些文章

函数调用

之所以要先讲函数传参方式，是因为java字节码的许多指令也都是以这种方式工作的（类似于调用函数）。

均采用堆栈的方式传参。

由于jvm知道目标函数需要什么，返回什么（有函数标记）。

  1. 自动从操作数堆栈上（从栈顶开始）弹出第一个、第二个…参数。（当然你得先把这些相应的参数放在操作数堆栈上）
  2. 传入目标函数（的局部变量表）
  3. 目标函数执行
  4. 目标函数返回栈顶元素（目标函数的操作数堆栈），传到调用者的堆栈上。（如果无返回值，那么就没有这一步）

示意图如下，表示调用者的操作数堆栈

调用者的操作数堆栈(调用前)
12（对应参数a）
11（对应参数b）

目标函数

1
2
3
static int getMax(int a,int b){
    return a>b?a:b;
}
调用者的操作数堆栈(调用后)
12

非静态函数调用

这里可以提一嘴非静态函数的调用，在Python中，一个类的非静态函数我们通常定义如下：

1
2
def not_static_function(self,*args,**kwargs):
    pass

其实在java中本质也是一样的，调用非静态方法时会传入this参数（并且也是第一个参数）

算数

就像函数调用一样，调用Java的算数指令时会从堆栈上弹出相应操作数（一个或两个），然后将计算结果压入堆栈。

java在字节码级别支持以下运算：
加法指令 减法指令 乘法指令 除法指令 求余指令 自增指令

分支结构/跳转

虽然jvm没有标志位这一设计，但仍能够进行条件跳转，在java字节码级别有两个方法。

0.无条件跳转

这个没啥好说的，这个助记符叫goto，挺好记的。

1.先比较再跳转（形如8086汇编中的CMP & Jxx）

java字节码有一系列很神奇的指令，这玩意传参类似于函数调用，能够弹出堆栈上的栈顶两个元素进行比较，然后将比较结果（1、0、-1）压入堆栈。

然后再调用各种条件跳转指令，即可跳转到指定位置。

2.比较并跳转

直接比较栈顶的两个元素，如果符合条件就跳转

注

跳转接的参数直接就是偏移量（以当前偏移量为0）。

比如goto 3，表示跳转到3个字节后。因此，在java字节码里面，程序逻辑最多只能在这个函数内部跳来跳去。

异常处理

其实java的异常处理核心并不是放在可执行字节码里面的，而是对函数的一个标注，放在函数标记里面的。

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8
void f(){
    try{
        //do sth
    }catch(ArithmeticException e){
        //do sth
    }
    //do sth
}
From To Target Type
0 4 7 Class java/lang/ArithmeticException

大致如上，记函数起始偏移量为0，表示在0~4的字节码（对应try部分）执行过程中若发生了java/lang/ArithmeticException异常，那么跳转到第7个字节码的位置（对应catch部分）继续执行，并且将该异常压入栈，然后放在局部变量表里（对应e）。

由于在字节码中代码也是按照顺序执行的，因此，编译器会自动在try代码块的末尾加上goto指令，跳过catch代码块。

面向对象

与java语法类似，通过new指令，可以创建一个对象的实例，并将其引用压栈。

为何要了解java字节码

其实java runtime已经几乎完成了所有背后的工作，如果你不用接触底层的原理，emm，也没有多大必要学java字节码。

我是觉得好玩才学的

Reference