【Java】JVM指令集

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【Java】JVM指令集

文章目录

• 数据存取
• • 从常量池取值并入栈
  • 从局部变量取值并入栈
  • 从栈取值并存入局部变量
  • 栈基本操作
• 数值类型操作
• • 数值运算
  • • 数值算术运算
    • 数值移位运算
    • 数值逻辑运算
    • 数值比较运算
  • 数值类型转换
• 对象类型操作
• 数组类型操作
• 流程控制
• • 条件比较判断
  • 无条件跳转
  • 跳转表跳转
• 方法执行
• • 方法调用
  • 方法返回
• 异常处理
• 线程同步
• 其他操作
• 指令总结
• 官方文档

数据存取

从常量池取值并入栈

JVM的const系列指令是用于将常量值从常量池中加载到操作数栈中的指令。常量池是一个与类或接口相关联的表，其中包含各种常量值、符号引用等信息。在编译Java代码时，常量值通常会直接嵌入到代码中，而符号引用则会转化为对应的常量池索引。

这些指令可以用于直接操作常量值，从而方便地进行数值计算、字符串操作等。值得注意的是，const系列指令只能加载常量值，不能加载局部变量或数组元素等非常量值。

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
aconst_null	将null对象引用压入栈	ACONST_NULL	1
iconst_m1	将int类型常量-1压入栈	ICONST_M1	2
iconst_0	将int类型常量0压入栈	ICONST_0	3
iconst_1	将int类型常量1压入栈	ICONST_1	4
iconst_2	将int类型常量2压入栈	ICONST_2	5
iconst_3	将int类型常量3压入栈	ICONST_3	6
iconst_4	将int类型常量4压入栈	ICONST_4	7
iconst_5	将int类型常量5压入栈	ICONST_5	8
lconst_0	将long类型常量0压入栈	LCONST_0	9
lconst_1	将long类型常量1压入栈	LCONST_1	10
fconst_0	将float类型常量0压入栈	FCONST_0	11
fconst_1	将float类型常量1压入栈	FCONST_1	12
fconst_2	将float类型常量2压入栈	FCONST_2	13
dconst_0	将double类型常量0压入栈	DCONST_0	14
dconst_1	将double类型常量1压入栈	DCONST_1	15
bipush	将一个8位带符号整数压入栈	BIPUSH	16
sipush	将16位带符号整数压入栈	SIPUSH	17
ldc	把常量池中的项压入栈	LDC	18
ldc_w	把常量池中的项压入栈（使用宽索引）	LDC_W	19
ldc2_w	把常量池中long类型或者double类型的项压入栈（使用宽索引）	LDC2_W	20

从局部变量取值并入栈

在JVM中，局部变量是一段被分配给方法的栈内存。JVM会将方法参数、临时变量、方法返回值等存储在局部变量中。当JVM需要使用一个局部变量的值时，它需要进行load操作，将该值从局部变量表中加载到操作数栈中。

load操作是根据局部变量的类型来执行的，例如load操作可以是iload、fload、aload等。这些操作指令对应了不同类型的局部变量，比如iload对应int类型的局部变量，fload对应float类型的局部变量，aload对应引用类型的局部变量等。

在load操作中，JVM会使用索引来访问局部变量表中的某个变量，并将其压入操作数栈中。这个索引是一个从0开始的整数，表示局部变量表中的第几个位置。需要注意的是，JVM在load操作之前需要先检查该变量是否已经被正确初始化，如果变量没有被初始化或者该索引超出了局部变量表的范围，JVM将会抛出一个异常。

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
iload	从局部变量中装载int类型值	ILOAD	21
lload	从局部变量中装载long类型值	LLOAD	22
fload	从局部变量中装载float类型值	FLOAD	23
dload	从局部变量中装载double类型值	DLOAD	24
aload	从局部变量中装载引用类型值	ALOAD	25
iload_0	从局部变量0中装载int类型值	ILOAD_0	26
iload_1	从局部变量1中装载int类型值	ILOAD_1	27
iload_2	从局部变量2中装载int类型值	ILOAD_2	28
iload_3	从局部变量3中装载int类型值	ILOAD_3	29
lload_0	从局部变量0中装载long类型值	LLOAD_0	30
lload_1	从局部变量1中装载long类型值	LLOAD_1	31
lload_2	从局部变量2中装载long类型值	LLOAD_2	32
lload_3	从局部变量3中装载long类型值	LLOAD_3	33
fload_0	从局部变量0中装载float类型值	FLOAD_0	34
fload_1	从局部变量1中装载float类型值	FLOAD_1	35
fload_2	从局部变量2中装载float类型值	FLOAD_2	36
fload_3	从局部变量3中装载float类型值	FLOAD_3	37
dload_0	从局部变量0中装载double类型值	DLOAD_0	38
dload_1	从局部变量1中装载double类型值	DLOAD_1	39
dload_2	从局部变量2中装载double类型值	DLOAD_2	40
dload_3	从局部变量3中装载double类型值	DLOAD_3	41
aload_0	从局部变量0中装载引用类型值	ALOAD_0	42
aload_1	从局部变量1中装载引用类型值	ALOAD_1	43
aload_2	从局部变量2中装载引用类型值	ALOAD_2	44
aload_3	从局部变量3中装载引用类型值	ALOAD_3	45
iaload	从数组中装载int类型值	IALOAD	46
laload	从数组中装载long类型值	LALOAD	47
faload	从数组中装载float类型值	FALOAD	48
daload	从数组中装载double类型值	DALOAD	49
aaload	从数组中装载引用类型值	AALOAD	50
baload	从数组中装载byte类型或boolean类型值	BALOAD	51
caload	从数组中装载char类型值	CALOAD	52
saload	从数组中装载short类型值	SALOAD	53

从栈取值并存入局部变量

JVM支持将栈顶的值存储到当前方法的局部变量表中的某个位置上。这个过程需要指定存储到哪个位置，以及该位置所需的数据类型。

在JVM中，局部变量表是用来存储方法中的参数和局部变量的表格，每个局部变量表的位置都有一个编号，从0开始递增。在执行方法时，JVM会为方法分配一个局部变量表，并根据方法的参数和局部变量数量确定表格的大小。

当JVM需要从栈中store值到局部变量表时，需要指定存储到哪个位置，通常是通过局部变量表中的位置编号来指定。

JVM在执行store指令时，会将栈顶的值弹出，存储到指定的局部变量表位置上，并将该位置上的值的类型标记为已初始化。如果存储到的位置上已经存在一个值，该值将被覆盖。同时，如果指定的位置在局部变量表范围之外，或者存储的值与指定的位置所需的数据类型不匹配，将会抛出相应的异常。

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
istore	将int类型值存入局部变量	ISTORE	54
lstore	将long类型值存入局部变量	LSTORE	55
fstore	将float类型值存入局部变量	FSTORE	56
dstore	将double类型值存入局部变量	DSTORE	57
astore	将引用类型或returnAddress类型值存入局部变量	ASTORE	58
istore_0	将int类型值存入局部变量0	ISTORE_0	59
istore_1	将int类型值存入局部变量1	ISTORE_1	60
istore_2	将int类型值存入局部变量2	ISTORE_2	61
istore_3	将int类型值存入局部变量3	ISTORE_3	62
lstore_0	将long类型值存入局部变量0	LSTORE_0	63
lstore_1	将long类型值存入局部变量1	LSTORE_1	64
lstore_2	将long类型值存入局部变量2	LSTORE_2	65
lstore_3	将long类型值存入局部变量3	LSTORE_3	66
fstore_0	将float类型值存入局部变量0	FSTORE_0	67
fstore_1	将float类型值存入局部变量1	FSTORE_1	68
fstore_2	将float类型值存入局部变量2	FSTORE_2	69
fstore_3	将float类型值存入局部变量3	FSTORE_3	70
dstore_0	将double类型值存入局部变量0	DSTORE_0	71
dstore_1	将double类型值存入局部变量1	DSTORE_1	72
dstore_2	将double类型值存入局部变量2	DSTORE_2	73
dstore_3	将double类型值存入局部变量3	DSTORE_3	74
astore_0	将引用类型或returnAddress类型值存入局部变量0	ASTORE_0	75
astore_1	将引用类型或returnAddress类型值存入局部变量1	ASTORE_1	76
astore_2	将引用类型或returnAddress类型值存入局部变量2	ASTORE_2	77
astore_3	将引用类型或returnAddress类型值存入局部变量3	ASTORE_3	78
iastore	将int类型值存入数组中	IASTORE	79
lastore	将long类型值存入数组中	LASTORE	80
fastore	将float类型值存入数组中	FASTORE	81
dastore	将double类型值存入数组中	DASTORE	82
aastore	将引用类型值存入数组中	AASTORE	83
bastore	将byte类型或者boolean类型值存入数组中	BASTORE	84
castore	将char类型值存入数组中	CASTORE	85
sastore	将short类型值存入数组中	SASTORE	86

栈基本操作

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
nop	不做任何操作	NOP	0
pop	弹出栈顶端1个字长的内容	POP	87
pop2	弹出栈顶端2个字长的内容	POP2	88
dup	复制栈顶部1个字长内容	DUP	89
dup_x1	复制栈顶部1个字长的内容，然后将复制内容及原来弹出的2个字长的内容压入栈	DUP_X1	90
dup_x2	复制栈顶部1个字长的内容，然后将复制内容及原来弹出的3个字长的内容压入栈	DUP_X2	91
dup2	复制栈顶部2个字长内容	DUP2	92
dup2_x1	复制栈顶部2个字长的内容，然后将复制内容及原来弹出的3个字长的内容压入栈	DUP2_X1	93
dup2_x1	复制栈顶部2个字长的内容，然后将复制内容及原来弹出的4个字长的内容压入栈	DUP2_X2	94
swap	交换栈顶部两个字长内容	SWAP	95

数值类型操作

数值运算

数值算术运算

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
iadd	执行int类型的加法	IADD	96
ladd	执行long类型的加法	LADD	97
fadd	执行float类型的加法	FADD	98
dadd	执行double类型的加法	DADD	99
isub	执行int类型的减法	ISUB	100
lsub	执行long类型的减法	LSUB	101
fsub	执行float类型的减法	FSUB	102
dsub	执行double类型的减法	DSUB	103
imul	执行int类型的乘法	IMUL	104
lmul	执行long类型的乘法	LMUL	105
fmul	执行float类型的乘法	FMUL	106
dmul	执行double类型的乘法	DMUL	107
idiv	执行int类型的除法	IDIV	108
ldiv	执行long类型的除法	LDIV	109
fdiv	执行float类型的除法	FDIV	110
ddiv	执行double类型的除法	DDIV	111
irem	计算int类型除法的余数	IREM	112
lrem	计算long类型除法的余数	LREM	113
frem	计算float类型除法的余数	FREM	114
drem	计算double类型除法的余数	DREM	115
ineg	对一个int类型值进行取反操作	INEG	116
lneg	对一个long类型值进行取反操作	LNEG	117
fneg	将一个float类型的数值取反	FNEG	118
dneg	将一个double类型的数值取反	DNEG	119
iinc	把一个常量值加到一个int类型的局部变量上	IINC	132

数值移位运算

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
ishl	执行int类型的向左移位操作	ISHL	120
lshl	执行long类型的向左移位操作	LSHL	121
ishr	执行int类型的向右移位操作	ISHR	122
lshr	执行long类型的向右移位操作	LSHR	123
iushr	执行int类型的向右逻辑移位操作	IUSHR	124
lushr	执行long类型的向右逻辑移位操作	LUSHR	125

数值逻辑运算

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
iand	对int类型值进行“逻辑与”操作	IAND	126
land	对long类型值进行“逻辑与”操作	LAND	127
ior	对int类型值进行“逻辑或”操作	IOR	128
lor	对long类型值进行“逻辑或”操作	LOR	129
ixor	对int类型值进行“逻辑异或”操作	IXOR	130
lxor	对long类型值进行“逻辑异或”操作	LXOR	131

数值比较运算

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
lcmp	比较long类型值	LCMP	148
fcmpl	比较float类型值（当遇到NaN时，返回-1）	FCMPL	149
fcmpg	比较float类型值（当遇到NaN时，返回1）	FCMPG	150
dcmpl	比较double类型值（当遇到NaN时，返回-1）	DCMPL	151
dcmpg	比较double类型值（当遇到NaN时，返回1）	DCMPG	152

数值类型转换

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
i2l	把int类型的数据转化为long类型	I2L	133
i2f	把int类型的数据转化为float类型	I2F	134
i2d	把int类型的数据转化为double类型	I2D	135
l2i	把long类型的数据转化为int类型	L2I	136
l2f	把long类型的数据转化为float类型	L2F	137
l2d	把long类型的数据转化为double类型	L2D	138
f2i	把float类型的数据转化为int类型	F2I	139
f2l	把float类型的数据转化为long类型	F2L	140
f2d	把float类型的数据转化为double类型	F2D	141
d2i	把double类型的数据转化为int类型	D2I	142
d2l	把double类型的数据转化为long类型	D2L	143
d2f	把double类型的数据转化为float类型	D2F	144
i2b	把int类型的数据转化为byte类型	I2B	145
i2c	把int类型的数据转化为char类型	I2C	146
i2s	把int类型的数据转化为short类型	I2S	147

对象类型操作

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
new	创建一个新对象	NEW	187
getstatic	从类中获取静态字段	GETSTATIC	178
putstatic	设置类中静态字段的值	PUTSTATIC	179
getfield	从对象中获取字段	GETFIELD	180
putfield	设置对象中字段的值	PUTFIELD	181
checkcast	确定对象为所给定的类型	CHECKCAST	192
instanceof	判断对象是否为给定的类型	INSTANCEOF	193

数组类型操作

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
newarray	分配数据成员类型为基本上数据类型的新数组	NEWARRAY	188
anewarray	分配数据成员类型为引用类型的新数组	ANEWARRAY	189
arraylength	获取数组长度	ARRAYLENGTH	190
multianewarray	分配新的多维数组	MULTIANEWARRAY	197

流程控制

条件比较判断

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
ifeq	如果等于0，则跳转	IFEQ	153
ifne	如果不等于0，则跳转	IFNE	154
iflt	如果小于0，则跳转	IFLT	155
ifge	如果大于等于0，则跳转	IFGE	156
ifgt	如果大于0，则跳转	IFGT	157
ifle	如果小于等于0，则跳转	IFLE	158
if_icmpeq	如果两个int值相等，则跳转	IF_ICMPEQ	159
if_icmpne	如果两个int类型值不相等，则跳转	IF_ICMPNE	160
if_icmplt	如果一个int类型值小于另外一个int类型值，则跳转	IF_ICMPLT	161
if_icmpge	如果一个int类型值大于或者等于另外一个int类型值，则跳转	IF_ICMPGE	162
if_icmpgt	如果一个int类型值大于另外一个int类型值，则跳转	IF_ICMPGT	163
if_icmple	如果一个int类型值小于或者等于另外一个int类型值，则跳转	IF_ICMPLE	164
if_acmpeq	如果两个对象引用相等，则跳转	IF_ACMPEQ	165
if_acmpnc	如果两个对象引用不相等，则跳转	IF_ACMPNE	166
ifnull	如果等于null，则跳转	IFNULL	198
ifnonnull	如果不等于null，则跳转	IFNONNULL	199

无条件跳转

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
goto	无条件跳转	GOTO	167
goto_w	无条件跳转（宽索引）	GOTO_W	200

跳转表跳转

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
tableswitch	通过索引访问跳转表，并跳转	TABLESWITCH	170
lookupswitch	通过键值匹配访问跳转表，并执行跳转操作	LOOKUPSWITCH	171

方法执行

方法调用

JVM提供invoke指令用于方法调用。这些指令的调用会导致操作数栈和局部变量表的改变，具体的改变取决于调用的方法的返回值和参数类型。这些指令的使用要遵循特定的规则，包括参数类型和数量的匹配，访问权限等。在JVM执行过程中，这些规则的违反将导致指令无法正常执行并抛出异常。

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
invokevirtual	运行时按照对象的类来调用实例方法	INVOKEVIRTUAL	182
invokespecial	根据编译时类型来调用实例方法	INVOKESPECIAL	183
invokestatic	调用静态方法	INVOKESTATIC	184
invokeinterface	调用接口方法	INVOKEINTERFACE	185
invokedynamic	调用运行时动态绑定方法	INVOKEDYNAMIC	186

方法返回

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
ireturn	从方法中返回int类型的数据	IRETURN	172
lreturn	从方法中返回long类型的数据	LRETURN	173
freturn	从方法中返回float类型的数据	FRETURN	174
dreturn	从方法中返回double类型的数据	DRETURN	175
areturn	从方法中返回引用类型的数据	ARETURN	176
return	从方法中返回，返回值为void	RETURN	177

异常处理

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
jsr	跳转到子例程	JSR	168
ret	从子例程返回	RET	169
athrow	抛出异常或错误	ATHROW	191
jsr_w	跳转到子例程（宽索引）	JSR_W	201

线程同步

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
montiorenter	进入并获取对象监视器	MONITORENTER	194
monitorexit	释放并退出对象监视器	MONITOREXIT	195

其他操作

JVM指令	指令操作	Classfile常量	Classfile指令编号
wide	使用附加字节扩展局部变量索引	WIDE	196

指令总结

下表总结了JVM指令集中的类型支持。通过用类型列中的字母替换操作码列中指令模板中的T来构建具有类型信息的特定指令。如果某些指令模板和类型的类型列为空白，则不存在支持该类型操作的指令。比如int类型有加载指令iload，而byte类型没有加载指令。

JVM指令	byte	short	int	long	float	double	char	reference
Tipush	bipush	sipush
Tconst			iconst	lconst	fconst	dconst		aconst
Tload			iload	lload	fload	dload		aload
Tstore			istore	lstore	fstore	dstore		astore
Tinc			iinc
Taload	baload	saload	iaload	laload	faload	daload	caload	aaload
Tastore	bastore	sastore	iastore	lastore	fastore	dastore	castore	aastore
Tadd			iadd	ladd	fadd	dadd
Tsub			isub	lsub	fsub	dsub
Tmul			imul	lmul	fmul	dmul
Tdiv			idiv	ldiv	fdiv	ddiv
Trem			irem	lrem	frem	drem
Tneg			ineg	lneg	fneg	dneg
Tshl			ishl	lshl
Tshr			ishr	lshr
Tushr			iushr	lushr
Tand			iand	land
Tor			ior	lor
Txor			ixor	lxor
i2T	i2b	i2s		i2l	i2f	i2d
l2T			l2i		l2f	l2d
f2T			f2i	f2l		f2d
d2T			d2i	d2l	d2f
Tcmp				lcmp
Tcmpl					fcmpl	dcmpl
Tcmpg					fcmpg	dcmpg
if_TcmpOP			if_icmpOP					if_acmpOP
Treturn			ireturn	lreturn	freturn	dreturn		areturn

官方文档

推荐阅读：JDK20官方文档-JVM指令集