關(guān)于JVM和其上的byte code，網(wǎng)上其實(shí)有足夠多的資料了，我這里就簡單做個(gè)提綱和介紹，權(quán)當(dāng)記錄吧。

stack-based VM

Java byte code運(yùn)行在JVM上，就像機(jī)器指令運(yùn)行在物理機(jī)上，是需要遵循這個(gè)機(jī)器的指令規(guī)范的。所以認(rèn)識JVM byte code，是需要稍微了解下JVM的。JVM是一個(gè)基于棧(stack-based)的虛擬機(jī)。很久以前我還寫過類似簡單的虛擬機(jī)。

基于棧的虛擬機(jī)其操作數(shù)和指令運(yùn)算的中間結(jié)果全部都在一個(gè)虛擬棧中，與之對應(yīng)的是基于寄存器(register-based)的虛擬機(jī)，其操作數(shù)和指令運(yùn)算結(jié)果會存放在若干個(gè)寄存器（也就是存儲單元）里。x86機(jī)器就可以理解為基于寄存器的機(jī)器。

byte code其實(shí)和x86匯編代碼本質(zhì)一樣，無非是對應(yīng)機(jī)器制定的一堆指令，這里可以舉例說明下兩類虛擬機(jī)的不同：

# stack-based

push 1 # 壓立即數(shù)1到棧頂

push 2 # 壓立即數(shù)2到棧頂

add # 彈出棧頂2個(gè)數(shù)相加，將結(jié)果3壓到棧頂

# register-based

mov ax, 1 # 寫立即數(shù)到寄存器ax

add ax, 2 # 取ax中的值1與立即數(shù)2進(jìn)行相加，存放結(jié)果到ax

關(guān)于兩類實(shí)現(xiàn)的比較，網(wǎng)上也有不少資料，例如Dalvik 虛擬機(jī)和 Sun JVM 在架構(gòu)和執(zhí)行方面有什么本質(zhì)區(qū)別？。

至于有人說基于棧的虛擬機(jī)更利于移植，我不是很理解，因?yàn)榧词故腔诩拇嫫鞯膶?shí)現(xiàn)，也不一定真的必須把這些寄存器映射到物理機(jī)CPU上的寄存器，使用內(nèi)存來模擬性能上跟基于棧的方式不是八九不離十嗎？

了解了JVM的這個(gè)特點(diǎn)，JVM上的各種指令就可以更好地理解，如果要理解JVM如何運(yùn)行byte code的，那還需要了解JVM內(nèi)部的各種結(jié)構(gòu)，例如符號解析、class loader、內(nèi)存分配甚至垃圾回收等。這個(gè)以后再談。

byte-code

*.class文件就已經(jīng)是編譯好的byte code文件，就像C/C++編譯出來的目標(biāo)文件一樣，已經(jīng)是各種二進(jìn)制指令了。這個(gè)時(shí)候可以通過JDK中帶的javap工具來反匯編，以查看對應(yīng)的byte code。

// Test.java

public class Test {

public static void main(String[] args) {

int a = 0xae;

int b = 0x10;

int c = a + b;

int d = c + 1;

String s;

s = "hello";

}

}

編譯該文件：javac Test.java得到Test.class，然后javap -c Test即得到：

Compiled from "Test.java"

public class Test {

public Test();

Code:

0: aload_0

1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V

4: return

public static void main(java.lang.String[]);

Code:

0: sipush 174 # push a short onto the stack 0xae=174

3: istore_1 # store int value into variable 1: a = 0xae

4: bipush 16 # push a byte onto the stack 0x10=16

6: istore_2 # store int value into variable 2: b = 0x10

7: iload_1 # load value from variable 1 and push onto the stack

8: iload_2

9: iadd # add two ints: a + b

10: istore_3 # c = a + b

11: iload_3

12: iconst_1 # 1

13: iadd # c + 1

14: istore 4 # d = c + 1

16: ldc #2 // String hello

18: astore 5

20: return

}

這個(gè)時(shí)候?qū)φ罩鳭VM指令表看上面的代碼，比起x86匯編淺顯易懂多了，秒懂，參考Java bytecode instruction listings。JVM中每個(gè)指令只占一個(gè)字節(jié)，操作數(shù)是變長的，所以其一條完整的指令（操作碼+操作數(shù)）也是變長的。上面每條指令前都有一個(gè)偏移，實(shí)際是按字節(jié)來偏移的。想起Lua VM的指令竟然是以bit來干的

從上面的byte code中，以x86匯編的角度來看會發(fā)現(xiàn)一些不同的東西：

局部變量竟是以索引來區(qū)分：istore_1 寫第一個(gè)局部變量，istore_2寫第二個(gè)局部變量，第4個(gè)局部變量則需要用操作數(shù)來指定了：istore 4

函數(shù)調(diào)用invokespecial #1竟然也是類似的索引，這里調(diào)用的是Object基類構(gòu)造函數(shù)

常量字符串也是類似的索引：ldc #2

*.class中是不是也分了常量數(shù)據(jù)段和代碼段呢

以上需要我們進(jìn)一步了解*.class文件的格式。

class file format

class 文件格式網(wǎng)上也有講得很詳細(xì)的了，例如這篇Java Class文件詳解。整個(gè)class文件完全可以用以下結(jié)構(gòu)來描述：

ClassFile {

u4 magic; //魔數(shù)

u2 minor_version; //次版本號

u2 major_version; //主版本號

u2 constant_pool_count; //常量池大小

cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; //常量池

u2 access_flags; //類和接口層次的訪問標(biāo)志（通過|運(yùn)算得到）

u2 this_class; //類索引（指向常量池中的類常量）

u2 super_class; //父類索引（指向常量池中的類常量）

u2 interfaces_count; //接口索引計(jì)數(shù)器

u2 interfaces[interfaces_count]; //接口索引集合

u2 fields_count; //字段數(shù)量計(jì)數(shù)器

field_info fields[fields_count]; //字段表集合

u2 methods_count; //方法數(shù)量計(jì)數(shù)器

method_info methods[methods_count]; //方法表集合

u2 attributes_count; //屬性個(gè)數(shù)

attribute_info attributes[attributes_count]; //屬性表

}

這明顯已經(jīng)不是以區(qū)段來分的格式了，上面提到的函數(shù)索引、常量字符串索引，都是保存在constant_pool常量池中。常量池中存儲了很多信息，包括：

各種字面常量，例如字符串

類、數(shù)據(jù)成員、接口引用

常量池的索引從1開始。對于上面例子Test.java，可以使用javap -v Test來查看其中的常量池，例如：

Constant pool:

#1 = Methodref #4.#13 // java/lang/Object."<init>":()V

#2 = String #14 // hello

#3 = Class #15 // Test

#4 = Class #16 // java/lang/Object

#5 = Utf8 <init>

#6 = Utf8 ()V

#7 = Utf8 Code

#8 = Utf8 LineNumberTable

#9 = Utf8 main

#10 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V

#11 = Utf8 SourceFile

#12 = Utf8 Test.java

#13 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V

#14 = Utf8 hello

#15 = Utf8 Test

#16 = Utf8 java/lang/Object

每一個(gè)類都會有一個(gè)常量池。

summary

要想了解JVM運(yùn)行byte code，還需要了解更多JVM本身的東西，例如符號解析，內(nèi)存管理等，可參考：

JVM Internals

Understanding JVM Internals

更多信息請查看IT技術(shù)專欄