黑馬JVM解析筆記（五）：深入理解Java字節碼執行機制

1.從字節碼的角度分析i++

/**
* 從字節碼角度分析 a++ 相關題目
*/
public class Demo3_2 {public static void main(String[] args) {int a = 10;int b = a++ + ++a + a--;System.out.println(a);System.out.println(b);}
}

a++ 和 ++a 實際上代表了兩個不同的操作，它們分別對應自增和取數的過程。首先需要明確的是，自增操作是在局部變量上完成的。接著，了解這兩者的區別至關重要：哪一個是先取數據，哪一個是先進行自增（或自減）。

具體來說：

  • a++ 和 a-- 先取數，再進行局部自增（或自減）。
  • ++a 和 --a 先進行局部自增（或自減），然后再取數。

因此，上述的代碼最終結果是 b = 34。

2.條件判斷指令

在這里插入圖片描述

2.1 幾點說明：
  • byte，short，char 都會按 int 比較，因為操作數棧都是 4 字節
  • goto 用來進行跳轉到指定行號的字節碼
2.2 案例
public class Demo3_3 {public static void main(String[] args) {int a = 0;if(a == 0) {a = 10;} else {a = 20;}
}//字節碼
0: iconst_0
1: istore_1
2: iload_1
3: ifne 12  //判斷是否為0，若是跳到12行
6: bipush 10
8: istore_1
9: goto 15  //跳轉
12: bipush 20
14: istore_1
15: return

3. 循環控制指令

好的，下面是經過整理和潤色后的內容：

在 Java 中，循環控制結構其實是通過之前介紹的字節碼指令來實現的。我們通過分析 while、do while 和 for 循環的字節碼，可以更好地理解它們背后的實現原理。

3.1. while 循環字節碼示例

對于以下的 while 循環代碼：

public class Demo3_4 {public static void main(String[] args) {int a = 0;while (a < 10) {a++;}}
}

對應的字節碼是：

0: iconst_0
1: istore_1
2: iload_1
3: bipush 10
5: if_icmpge 14
8: iinc 1, 1
11: goto 2
14: return

字節碼的執行流程如下：

  • 初始化變量 a（即 istore_1）。
  • 每次循環時，檢查 a 是否小于 10（通過 if_icmpge 判斷）。
  • 如果條件為 true，則執行 iinc（自增 a），然后跳回循環判斷（goto 2）。
  • 如果條件為 false，則退出循環并結束程序。
3.2 do while 循環字節碼示例

對于以下的 do while 循環代碼：

public class Demo3_5 {public static void main(String[] args) {int a = 0;do {a++;} while (a < 10);}
}

對應的字節碼是：

0: iconst_0
1: istore_1
2: iinc 1, 1
5: iload_1
6: bipush 10
8: if_icmplt 2
11: return

字節碼的執行流程如下：

  • 初始化變量 a（istore_1）。
  • 在循環內部先執行 iinc（自增 a），然后檢查 a 是否小于 10。
  • 如果 a 小于 10，跳回到步驟 2，繼續自增并檢查條件。
  • 如果條件不滿足，則退出循環并結束程序。
3.3 for 循環字節碼示例

最后是 for 循環。其實，如果我們仔細觀察 while 和 for 循環的字節碼，我們會發現它們是一模一樣的。盡管語法上 for 循環包括了初始化、條件判斷和自增部分，但在字節碼層面，它們表現得幾乎是相同的。

因此，以下是 for 循環的字節碼：

public class Demo3_6 {public static void main(String[] args) {for (int a = 0; a < 10; a++) {// do something}}
}

字節碼也是與 while 循環的字節碼完全相同：

0: iconst_0
1: istore_1
2: iload_1
3: bipush 10
5: if_icmpge 14
8: iinc 1, 1
11: goto 2
14: return

4.判斷的結果

請從字節碼角度分析，下列代碼運行的結果：

public class Demo3_6_1 {public static void main(String[] args) {int i = 0;int x = 0;while (i < 10) {x = x++;i++;}System.out.println(x); // 結果是 0}
}

分析結果為什么是0，是因為x++，先取數后自增，取數到操作棧依舊是0，局部變量位置是1，但是x=，這個表示復制，又把局部變量的位置改成0，這樣就陷入死循環，無論循環多少次一直為0.

5.構造方法

5.1 <cint> ()v
public class StaticTest {static int i = 10;static {i = 30;}static {i = 20;}public static void main(String[] args) {}
}

編譯器會按從上至下的順序，收集所有靜態代碼塊和靜態成員賦值的代碼，合并為一個特殊的方法

 Code:0: bipush        102: putstatic     #7                  // Field i:I5: bipush        307: putstatic     #7                  // Field i:I10: bipush        2012: putstatic     #7                  // Field i:I15: return
5.2 <int>()V
public class Demo3_8_2 {private String a = "s1";{b = 20;}private int b = 10;{a = "s2";}public Demo3_8_2(String a, int b) {this.a = a;this.b = b;}public static void main(String[] args) {Demo3_8_2 d = new Demo3_8_2("s3", 30);System.out.println(d.a);System.out.println(d.b);}
}

編譯器會按從至下的順序，收集所有{}代碼和成員變量，形成新的構造方法，但是原始的構造放內的代碼執行總是在最后面

因此這個代碼的結果是：s3和30

6.方法的調用

public class Demo3_9 {
public Demo3_9() { }private void test1() { }private final void test2() { }public void test3() { }public static void test4() { }public static void main(String[] args) {Demo3_9 d = new Demo3_9();d.test1();d.test2();d.test3();d.test4();Demo3_9.test4();}
}

字節碼

0: new #2 // class cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_9
3: dup
4: invokespecial #3 // Method "<init>":()V
7: astore_1
8: aload_1
9: invokespecial #4 // Method test1:()V
12: aload_1
13: invokespecial #5 // Method test2:()V
16: aload_1
17: invokevirtual #6 // Method test3:()V
20: aload_1
21: pop
22: invokestatic #7 // Method test4:()V
25: invokestatic #7 // Method test4:()V
28: return

幾種類型的方法的調用說明一下：

  • invokespecial，普通私有方法的調用
  • invokevirtual，調用實例方法，通過對象的類型決定調用哪個方法（普通方法調用）。
  • invokestatic，靜態的方法調用

整個流程為：

  • new 新建對象，給對象分配堆內存，然后把對象引用壓入操作數棧
  • dup，是把對象復制一份，為什么要復制一份呢，一個是調用對象構造方法，一個是把這個對象賦給局部變量
  • 然后調用方法就行
  • 備注：d.test3();這種形式調用靜態方法，會有一個pop出棧的操作，這樣就會把【對象引用】從操作數彈掉

7.多態是在字節碼中是如何調用的

當執行 invokevirtual 指令時，

  1. 獲取對象引用：從棧幀中的操作數棧中獲取方法調用的對象引用。
  2. 分析對象頭：通過對象引用找到對象的 Class 對象，進一步分析該對象的實際類型。
  3. 查找 vtable：通過對象的實際類型，獲取其 vtable（虛方法表）。
  4. 查表得到方法地址：根據方法名和簽名，在 vtable 中查找到對應的方法地址，確保方法是動態綁定的。
  5. 執行方法字節碼：跳轉到方法的字節碼地址并執行該方法。

8.異常處理

8.1 catch
public class Demo3_11_1 {
public static void main(String[] args) {int i = 0;try {i = 10;} catch (Exception e) {i = 20;}}
}//main方法的字節碼
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=3, args_size=1
0: iconst_0
1: istore_1
2: bipush 10
4: istore_1
5: goto 12
8: astore_2
9: bipush 20
11: istore_1
12: return
Exception table:
from to target type
2 5 8 Class java/lang/Exception
LineNumberTable: ...
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
9 3 2 e Ljava/lang/Exception;
0 13 0 args [Ljava/lang/String;
2 11 1 i I
StackMapTable: ...
MethodParameters: ...
}
  • 可以看到多出來一個 Exception table 的結構，[from, to) 是前閉后開的檢測范圍，一旦這個范圍內的字節碼執行出現異常，則通過 type 匹配異常類型，如果一致，進入 target 所指示行號
  • 8 行的字節碼指令 astore_2 是將異常對象引用存入局部變量表的 slot 2 位置
8.2 finally
public class Demo3_11_4 {
public static void main(String[] args) {int i = 0;try {i = 10;} catch (Exception e) {i = 20;} finally {i = 30;}}
}

public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=4, args_size=1
0: iconst_0
1: istore_1 // 0 -> i
2: bipush 10 // try --------------------------------------
4: istore_1 // 10 -> i |
5: bipush 30 // finally |
7: istore_1 // 30 -> i |
8: goto 27 // return -----------------------------------
11: astore_2 // catch Exceptin -> e ----------------------
12: bipush 20 // |
14: istore_1 // 20 -> i |
15: bipush 30 // finally |
17: istore_1 // 30 -> i |
18: goto 27 // return -----------------------------------
21: astore_3 // catch any -> slot 3 ----------------------
22: bipush 30 // finally |
24: istore_1 // 30 -> i |
25: aload_3 // <- slot 3 |
26: athrow // throw ------------------------------------
27: return
Exception table:
from to target type
2 5 11 Class java/lang/Exception
2 5 21 any // 剩余的異常類型，比如 Error
11 15 21 any // 剩余的異常類型，比如 Error
LineNumberTable: ...
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
12 3 2 e Ljava/lang/Exception;
0 28 0 args [Ljava/lang/String;
2 26 1 i I
StackMapTable: ...
MethodParameters: ...

由于finally必須要執行，可以看到 finally 中的代碼被復制了 3 份，分別放入 try 流程，catch 流程以及 catch 剩余的異常類型流程，最后一份是，怕catch捕獲不到的異常，執行不了所有在其他異常也復制了一份

8.2.1finally面試題1
public class Demo3_12_2 {
public static void main(String[] args) {int result = test();System.out.println(result);public static int test() {try {return 10;} finally {return 20;}}
}//方法字節碼
public static int test();
descriptor: ()I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=2, args_size=0
0: bipush 10 // <- 10 放入棧頂
2: istore_0 // 10 -> slot 0 (從棧頂移除了)
3: bipush 20 // <- 20 放入棧頂
5: ireturn // 返回棧頂 int(20)
6: astore_1 // catch any -> slot 1
7: bipush 20 // <- 20 放入棧頂
9: ireturn // 返回棧頂 int(20)
Exception table:
from to target type
0 3 6 any
LineNumberTable: ...
StackMapTable: ...

由這個字節碼我們可以看到，finally里面的邏輯一定會執行，但是如果 finally 中有 return，它會覆蓋任何異常或者其他的返回值。

8.2.2 finally面試題2
public class Demo3_12_2 {public static void main(String[] args) {int result = test();System.out.println(result);}public static int test() {int i = 10;try {return i;} finally {i = 20;}}
}
//字節碼
public static int test();
descriptor: ()I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=3, args_size=0
0: bipush 10 // <- 10 放入棧頂
2: istore_0 // 10 -> i
3: iload_0 // <- i(10)
4: istore_1 // 10 -> slot 1，暫存至 slot 1，目的是為了固定返回值
5: bipush 20 // <- 20 放入棧頂
7: istore_0 // 20 -> i
8: iload_1 // <- slot 1(10) 載入 slot 1 暫存的值
9: ireturn // 返回棧頂的 int(10)
10: astore_2
11: bipush 20
13: istore_0
14: aload_2
15: athrow
Exception table:
from to target type
3 5 10 any
LineNumberTable: ...
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
3 13 0 i I

通過使用 istore_1 暫存 i 的值，字節碼確保了即使在 finally 塊中修改了 i 的值（將其設置為 20局部變量），最終返回的仍然是 try 塊中的原始 i 值（即 10）。

8.2.2 finally面試題2
public class Demo3_12_2 {public static void main(String[] args) {int result = test();System.out.println(result);}public static int test() {int i = 10;try {return i;} finally {i = 20;}}
}
//字節碼
public static int test();
descriptor: ()I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=3, args_size=0
0: bipush 10 // <- 10 放入棧頂
2: istore_0 // 10 -> i
3: iload_0 // <- i(10)
4: istore_1 // 10 -> slot 1，暫存至 slot 1，目的是為了固定返回值
5: bipush 20 // <- 20 放入棧頂
7: istore_0 // 20 -> i
8: iload_1 // <- slot 1(10) 載入 slot 1 暫存的值
9: ireturn // 返回棧頂的 int(10)
10: astore_2
11: bipush 20
13: istore_0
14: aload_2
15: athrow
Exception table:
from to target type
3 5 10 any
LineNumberTable: ...
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
3 13 0 i I

istore_1，可以把值固定住

9.synchronnized

public class Demo3_13 {public static void main(String[] args) {Object lock = new Object();synchronized (lock) {System.out.println("ok");}}
}//字節碼
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=4, args_size=1
0: new #2 // new Object
3: dup
4: invokespecial #1 // invokespecial <init>:()V
7: astore_1 // lock引用 -> lock
8: aload_1 // <- lock （synchronized開始）
9: dup
10: astore_2 // lock引用 -> slot 2
11: monitorenter // monitorenter(lock引用)
12: getstatic #3 // <- System.out
15: ldc #4 // <- "ok"
17: invokevirtual #5 // invokevirtual println:
(Ljava/lang/String;)V
20: aload_2 // <- slot 2(lock引用)
21: monitorexit // monitorexit(lock引用)
22: goto 30
25: astore_3 // any -> slot 3
26: aload_2 // <- slot 2(lock引用)
27: monitorexit // monitorexit(lock引用)
28: aload_3
29: athrow
30: return
Exception table:
from to target type
12 22 25 any
25 28 25 any
LineNumberTable: ...
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 31 0 args [Ljava/lang/String;
8 23 1 lock Ljava/lang/Object;
StackMapTable: ...
MethodParameters: ...

幾點說明：

  • 為什么字節碼第9行要把鎖的引用復制兩份，因為是需要給兩個操作，一個加鎖，一個解鎖
  • 還有就是異常捕獲，由于對程序進行加鎖，如果在執行程序的過程發生什么異常，導致程序沒有解鎖，這樣就會程序就會出問題。因此要設置異常捕獲，如果出現異常，就還是要進行解鎖，再拋出異常
  • 方法級別的 synchronized 不會在字節碼指令中有所體現

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