【JVM源码解析】模板解释器解释执行Java字节码指令（下）

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【JVM源码解析】模板解释器解释执行Java字节码指令（下）

本文由HeapDump性能社区首席讲师鸠摩（马智）授权整理发布

第22篇-虚拟机字节码之运算指令

虚拟机规范中与运算相关的字节码指令如下表所示。

1、基本加、减、乘与除指令

1、iadd指令

iadd指令将两个栈顶的整数相加，然后将相加的结果压入栈顶，其指令的格式如下：

iadd  val1,val2 

val1与val2表示两个int类型的整数，在指令执行时，将val1与val3从操作数栈中出栈,将这两个数值相加得到 int 类型数据 result，将result压入操作数栈中。

iadd指令的模板定义如下：

def(Bytecodes::_iadd , ____|____|____|____, itos, itos, iop2 , add);

生成函数为TemplateTable::iop2()，实现如下：

void TemplateTable::iop2(Operation op) {switch (op) {case add  :                    __ pop_i(rdx); __ addl (rax, rdx); break;case sub  : __ movl(rdx, rax); __ pop_i(rax); __ subl (rax, rdx); break;case mul  :                    __ pop_i(rdx); __ imull(rax, rdx); break;case _and :                    __ pop_i(rdx); __ andl (rax, rdx); break;case _or  :                    __ pop_i(rdx); __ orl  (rax, rdx); break;case _xor :                    __ pop_i(rdx); __ xorl (rax, rdx); break;case shl  : __ movl(rcx, rax); __ pop_i(rax); __ shll (rax);      break;case shr  : __ movl(rcx, rax); __ pop_i(rax); __ sarl (rax);      break;case ushr : __ movl(rcx, rax); __ pop_i(rax); __ shrl (rax);      break;default   : ShouldNotReachHere();}
}

可以看到，这个函数是许多指令的生成函数，如iadd、isub、imul、iand、ior、ixor、ishl、ishr、iushr。

为iadd指令生成的汇编代码如下：

mov    (%rsp),%edx
add    $0x8,%rsp
add    %edx,%eax

将栈顶与栈顶中缓存的%eax相加后的结果存储到%eax中。

2、isub指令

isub指令生成的汇编代码如下：

mov    %eax,%edx
mov    (%rsp),%eax
add    $0x8,%rsp
sub    %edx,%eax

代码实现比较简单，这里不再介绍。

3、idiv指令

idiv是字节码除法指令，这个指令的格式如下：

idiv val1,val2

val1 和 val2 都必须为 int 类型数据，指令执行时，val1 和 val2从操作数栈中出栈，并且将这两个数值相除（val1÷val2），结果转换为 int 类型值 result，最后 result 被压入到操作数栈中。

idiv指令的模板定义如下：

def(Bytecodes::_idiv , ____|____|____|____, itos, itos, idiv ,  _  );

调用的生成函数为TemplateTable::idiv()，生成的汇编如下：

0x00007fffe1019707: mov    %eax,%ecx
0x00007fffe1019709: mov    (%rsp),%eax
0x00007fffe101970c: add    $0x8,%rsp// 测试一下被除数是否为0x80000000，如果不是，就跳转到normal_case
0x00007fffe1019710: cmp    $0x80000000,%eax
0x00007fffe1019716: jne    0x00007fffe1019727// 被除数是0x80000000，而除数如果是-1的话，则跳转到special_case
0x00007fffe101971c: xor    %edx,%edx
0x00007fffe101971e: cmp    $0xffffffff,%ecx
0x00007fffe1019721: je     0x00007fffe101972a// -- normal_case --// cltd将eax寄存器中的数据符号扩展到edx:eax，具体就是
// 把eax的32位整数扩展为64位，高32位用eax的符号位填充保存到edx
0x00007fffe1019727: cltd   
0x00007fffe1019728: idiv   %ecx// -- special_case --

其中idiv函数会使用规定的寄存器，如下图所示。

汇编对0x80000000 / -1 这个特殊的除法做了检查。参考：利用反汇编调试与补码解释0x80000000 / -1整形输出异常不一致

2、比较指令

lcmp指令比较栈顶两long型数值大小，并将结果（1、0或-1）压入栈顶。指令的格式如下：

lcmp val1,val2

val1 和 val2 都必须为 long 类型数据，指令执行时， val1 和 val2从操作数栈中出栈，使用一个 int 数值作为比较结果：

• 如果 val1 大于val2，结果为 1；
• 如果 val1 等于 val2，结果为 0；
• 如果 val1小于 val2，结果为-1。

最后比较结果被压入到操作数栈中。

lcmp字节码指令的模板定义如下：

def(Bytecodes::_lcmp , ____|____|____|____, ltos, itos, lcmp ,  _ );

生成函数为TemplateTable::lcmp()， 生成的汇编如下：

0x00007fffe101a6c8: mov     (%rsp),%rdx
0x00007fffe101a6cc: add     $0x10,%rsp// cmp指令描述如下：
// 第1操作数<第2操作数时，ZF=0
// 第1操作数=第2操作数时，ZF=1
// 第1操作数>第2操作数时，ZF=0
0x00007fffe101a6d0: cmp     %rax,%rdx
0x00007fffe101a6d3: mov     $0xffffffff,%eax // 将-1移到%eax中// 如果第1操作数小于第2操作数就跳转到done
0x00007fffe101a6d8: jl      0x00007fffe101a6e0// cmp指令执行后，执行setne指令就能获取比较的结果
// 根据eflags中的状态标志（CF,SF,OF,ZF和PF）将目标操作数设置为0或1
0x00007fffe101a6da: setne   %al
0x00007fffe101a6dd: movzbl  %al,%eax//  -- done --

如上汇编代码的逻辑非常简单，这里不再介绍。

关于其它字节码指令的逻辑也相对简单，有兴趣的可自行研究。

第23篇-虚拟机字节码指令之类型转换

Java虚拟机规范中定义的类型转换相关的字节码指令如下表所示。

上表字节码指令的模板定义如下：

def(Bytecodes::_i2l   , ____|____|____|____, itos, ltos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_i2f   , ____|____|____|____, itos, ftos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_i2d   , ____|____|____|____, itos, dtos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_l2i   , ____|____|____|____, ltos, itos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_l2f   , ____|____|____|____, ltos, ftos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_l2d   , ____|____|____|____, ltos, dtos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_f2i   , ____|____|____|____, ftos, itos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_f2l   , ____|____|____|____, ftos, ltos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_f2d   , ____|____|____|____, ftos, dtos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_d2i   , ____|____|____|____, dtos, itos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_d2l   , ____|____|____|____, dtos, ltos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_d2f   , ____|____|____|____, dtos, ftos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_i2b   , ____|____|____|____, itos, itos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_i2c   , ____|____|____|____, itos, itos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_i2s   , ____|____|____|____, itos, itos, convert ,  _           ); 

相关字节码转换指令的生成函数为TemplateTable::convert()，此函数的实现如下：

void TemplateTable::convert() {static const int64_t is_nan = 0x8000000000000000L;// Conversionswitch (bytecode()) {case Bytecodes::_i2l:__ movslq(rax, rax);break;case Bytecodes::_i2f:__ cvtsi2ssl(xmm0, rax);break;case Bytecodes::_i2d:__ cvtsi2sdl(xmm0, rax);break;case Bytecodes::_i2b:__ movsbl(rax, rax);break;case Bytecodes::_i2c:__ movzwl(rax, rax);break;case Bytecodes::_i2s:__ movswl(rax, rax);break;case Bytecodes::_l2i:__ movl(rax, rax);break;case Bytecodes::_l2f:__ cvtsi2ssq(xmm0, rax);break;case Bytecodes::_l2d:__ cvtsi2sdq(xmm0, rax);break;case Bytecodes::_f2i:{Label L;__ cvttss2sil(rax, xmm0);__ cmpl(rax, 0x80000000); // NaN or overflow/underflow?__ jcc(Assembler::notEqual, L);__ call_VM_leaf(CAST_FROM_FN_PTR(address, SharedRuntime::f2i), 1);__ bind(L);}break;case Bytecodes::_f2l:{Label L;__ cvttss2siq(rax, xmm0);// NaN or overflow/underflow?__ cmp64(rax, ExternalAddress((address) &is_nan));__ jc