腾讯三面：什么是 JVM 字节码？它是如何工作的？-51CTO.COM

作为 Java程序员都知道 Java是跨平台的语言，编译一次到处运行，这得益于 JVM字节码，这篇文章，我们将一起分析什么是JVM字节码？如何查看 JVM字节码？JVM字节码是如何工作的？

什么 JVM 字节码?

Java 源代码经过编译器编译后，就会生成 JVM 字节码，它是一种基于栈的低级、中立于平台的指令架构，每个字节码指令都会在 JVM 上执行一系列的操作，如加载、存储、运算、跳转等。它使用基于操作数栈和局部变量表的执行模型。

JVM 字节码具有以下特点：

独立于具体的硬件和操作系统，不同平台上的 JVM 可以解释和执行相同的字节码文件。
相对于机器码和源代码，JVM 字节码是一种更高级别的抽象，并且比机器码更容易阅读和编写。
JVM 字节码通过运行时的即时编译器或解释器执行。

因此，只要在不同平台上安装相应的 JVM，就能在这些平台上运行相同的字节码，这种特性为 Java 程序提供了很高的可移植性和兼容性。值得注意的是，其他编程语言也可以编译成 JVM 字节码，利用 JVM 的优势。这些编程语言叫做基于 JVM 的语言，例如 Kotlin、Groovy 等。

如何查看 JVM 字节码？

通过 javap -c ClassName指令就可以查看 JVM字节码，为了更好的说明，下面通过一个简单的 Java程序和对应的 JVM字节码示例来进行演示：

1.示例代码

如下代码，在控制台输出“Hello, World”：

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

使用 javac 命令编译上述 Java 源代码后会生成一个 HelloWorld.class 文件，然后使用javap -c HelloWorld命令查看字节码，内容如下：

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.字节码解释

(1) 构造方法 HelloWorld()

aload_0: 加载局部变量表中第一个变量（即this引用）。
invokespecial #1: 调用父类（java/lang/Object）的构造方法。
return: 从构造方法返回。

(2) main方法

getstatic #2: 获取静态字段java/lang/System.out，它是一个 PrintStream 对象。
ldc #3: 将常量池中索引为3的项（即字符串"Hello, World!"）加载到操作数栈。
invokevirtual #4: 调用 PrintStream 的 println 方法，参数是栈顶的字符串。
return: 从main方法返回。

(3) 关键字节码指令解析

aload_0: 加载局部变量表中索引为 0的引用类型变量到操作数栈。
invokespecial: 调用实例初始化方法和私有方法。
getstatic: 获取静态字段的值并将其压入操作数栈。
ldc: 将常量池中的常量加载到操作数栈。
invokevirtual: 调用对象的实例方法，方法的选择是基于对象的运行时类型。

通过这个示例，我们可以看到 Java源代码被编译成 JVM 字节码后是什么样子。

JVM字节码指令集

通过上述查看 JVM字节码的示例，我们可以看到很多 JVM内部的指令，比如加载、存储、运算、跳转等。JVM字节码指令集（Bytecode Instruction Set）是 JVM用来执行 Java 程序的指令集合，每条字节码指令由一个字节的操作码（opcode）和可选的操作数组成。

以下是 JVM 字节码指令集的一些主要类别和具体指令：

1.加载和存储指令

加载和存储指令，全称 Load and Store Instructions，包含以下几个指令：

aload: 从局部变量表加载引用类型变量到操作数栈。
astore: 将操作数栈顶的引用类型变量存储到局部变量表。
iload: 从局部变量表加载整数类型变量到操作数栈。
istore: 将操作数栈顶的整数类型变量存储到局部变量表。
dload, fload, lload: 加载双精度浮点数、单精度浮点数和长整数类型变量。
dstore, fstore, lstore: 存储双精度浮点数、单精度浮点数和长整数类型变量。

2.算术运算指令

算术运算指令，全称 Arithmetic Instructions，包含以下几个指令：

iadd: 对栈顶的两个整数进行加法运算。
isub: 对栈顶的两个整数进行减法运算。
imul: 对栈顶的两个整数进行乘法运算。
idiv: 对栈顶的两个整数进行除法运算。
iinc: 对局部变量表中的整数变量进行自增。
dadd, fadd, ladd: 加法运算（双精度浮点数、单精度浮点数、长整数）。
dsub, fsub, lsub: 减法运算（双精度浮点数、单精度浮点数、长整数）。

3.类型转换指令

类型转换指令，全称 Type Conversion Instructions，包含以下几个指令：

i2d: 整数转双精度浮点数。
i2f: 整数转单精度浮点数。
i2l: 整数转长整数。
d2i, f2i, l2i: 转换为整数。

4.对象操作指令

对象操作指令，全称 Object Manipulation Instructions，包含以下几个指令：

new: 创建一个新的对象实例。
newarray: 创建一个新的数组。
anewarray: 创建一个新的引用类型数组。
checkcast: 检查对象是否为某一类型的实例。
instanceof: 判断对象是否是某一类型的实例。

5.方法调用和返回指令

方法调用和返回指令，全称 Method Invocation and Return Instructions，包含以下几个指令：

invokestatic: 调用静态方法。
invokevirtual: 调用实例方法，根据对象的实际类型进行分派。
invokespecial: 调用实例初始化方法、私有方法和父类方法。
invokeinterface: 调用接口方法。
return: 从方法返回（无返回值）。
ireturn, dreturn, freturn, lreturn, areturn: 从方法返回（返回值为整数、双精度浮点数、单精度浮点数、长整数、引用类型）。

6.控制流指令

控制流指令，全称 Control Flow Instructions，包含以下几个指令：

goto: 无条件跳转。
ifeq: 如果栈顶整数为0，则跳转。
ifne: 如果栈顶整数不为0，则跳转。
iflt, ifge, ifgt, ifle: 比较栈顶整数，并根据结果跳转。
tableswitch: 用于switch语句的多路分支跳转。
lookupswitch: 用于switch语句的查找表跳转。

7.异常处理指令

异常处理指令，全称 Exception Handling Instructions，包含以下几个指令：

athrow: 抛出异常或错误。
try-catch块：通过异常表实现，不是具体的字节码指令。

8.同步指令

同步指令，全称 Synchronization Instructions，包含以下几个指令：

monitorenter: 获取对象的监视器锁。
monitorexit: 释放对象的监视器锁。

9.栈操作指令

栈操作指令，全称 Stack Operations Instructions，包含以下几个指令：

pop: 弹出栈顶的一个元素。
dup: 复制栈顶的一个元素。
swap: 交换栈顶的两个元素。

JVM 如何执行字节码？

JVM 字节码的执行过程主要依赖于 Java 虚拟机的解释器和即时编译器（Just-In-Time Compiler，简称JIT）。JVM会将字节码读取到内存中，并逐条解释执行，或者将热点代码编译为机器码来提高执行效率。

为了更好地说明 JVM 字节码的执行过程，我们还是通过一个具体的示例来进行说明。

1.示例代码

这里以 a + b 求和为例，代码如下：

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

使用 javap -c Sum 命令获取字节码，具体信息如下：

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.字节码解释

(1) 构造方法 Sum()

aload_0: 加载局部变量表中第一个变量（即this引用）。
invokespecial #1: 调用父类（java/lang/Object）的构造方法。
return: 从构造方法返回。

(2) add()方法

iload_0: 加载局部变量表中索引为0的整数（即参数a）到操作数栈。
iload_1: 加载局部变量表中索引为1的整数（即参数b）到操作数栈。
iadd: 弹出操作数栈顶的两个整数，进行加法运算，并将结果压入操作数栈。
ireturn: 从方法返回，并将操作数栈顶的整数作为返回值。

3.执行过程

假设我们在另一个类中调用Sum.add(2, 3)，执行过程如下：

JVM将参数 2和 3压入局部变量表，iload_0指令将参数 2加载到操作数栈。
iload_1指令将参数 3加载到操作数栈。
iadd指令弹出操作数栈顶的两个值（2和3），进行加法运算，将结果5压入操作数栈。
ireturn指令将操作数栈顶的值（5）作为返回值返回给调用者。

总结

本文，我们分析了什么是JVM字节码，如何查看JVM字节码以及JVM如何执行字节码，掌握这些底层不但可以帮助我们更好的理解，为什么 Java可以编译一次，到处运行，还可以帮助我们更好的了解 Java的运行机制以及理解 Java的编程精髓。