小師妹學JVM之:java的字節碼byte code簡介

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目錄

  • 簡介
  • Byte Code的作用
  • 查看Byte Code字節碼
  • java Byte Code是怎麼工作的
  • 總結

簡介

Byte Code也叫做字節碼，是連接java源代碼和JVM的橋樑，源代碼編譯成為字節碼，而字節碼又被加載進JVM中運行。字節碼怎麼生成，怎麼查看字節碼，隱藏在Byte Code背後的秘密是什麼呢？快跟小師妹一起來看看吧。

Byte Code的作用

小師妹：F師兄，為什麼Java需要字節碼呢？直接編譯成為機器碼不是更快嗎？

小師妹，Java的設計初衷是一次編寫，到處運行。為了兼容各個平台的運行環境，java特別為各種平台設計了JVM。

我們可以把JVM看做是一種抽象，對外提供了統一的接口。這樣我們只需要編寫符合JVM規範的代碼，即可在JVM中運行。

回想下之前我們提到過的java的執行過程：

  1. 編寫java代碼文件比如Example.java
  2. 使用java編譯器javac將源文件編譯成為Example.class文件
  3. JVM加載生成的字節碼文件，將其轉換成為機器可以識別的native machine code執行

小師妹：F師兄，我有一個大膽的想法，JVM的作用是將字節碼解釋或者編譯成為機器碼。然後在相應的運行環境中執行。那麼有沒有可能，不需要JVM，不需要機器碼，而是直接在對應的平台上執行字節碼呢？

愛因斯坦說過沒有想像力的靈魂，就像沒有望遠鏡的天文台。小師妹你這個想法很好，這種實現有個專業的說法叫做：Java processor。

Java processor就是用硬件來實現的JVM。因此字節碼可以直接在Java processor中運行。

其中比較出名的是Jazelle DBX，這是一個主要支持J2ME環境的硬件架構。為了提升java在手機端的執行速度。

但是這樣做其實也是有缺點的，後面我們會講到，java字節碼中的指令非常非常多。所以如果用硬件來實現的話，就會非常非常複雜。

一般來說Java processor不會實現全部的字節碼中的功能，只會提供部分的實現。

查看Byte Code字節碼

小師妹：F師兄，那使用javac編譯過後的class文件跟字節碼有什麼關係呢？

class文件中大部分都是byte code，其他的部分是一些meta data元數據信息。這些組合在一起就是class文件了。

小師妹：F師兄，你說class文件是byte code，為什麼我在IDE中打開的時候，直接显示的是反編譯出來的源文件呢？

小師妹，這是IDE的一個便利功能。因為大多數情況下，沒有人想去看class文件的Byte code的，大家都是想去看看這個class文件的源文件是什麼樣的。

我們舉個最簡單的例子：

這個類中，我們定義了一個很簡單的testByteCode方法，裏面定義了兩個變量，然後返回他們兩個的和。

現在有兩種方法來查看這個類的Byte Code：

第一種方法是用javap命令：

javap -c ByteCodeUsage.class

生成的結果如上所示。

第二種方法就是在IDEA中，選中class文件，然後在view中選中show Bytecode：

我們看下輸出結果：

兩個的結果在显示上面可能有細微的差異，但是並不影響我們後面對其的解析。

java Byte Code是怎麼工作的

小師妹：F師兄，能講解一下這些byte code到底是怎麼工作的嗎？

首先我們要介紹一下JVM的實現是基於棧的結構的。為什麼要基於棧的結構呢？那是因為棧是最適合用來實現function互相調用的。

我們再回顧一下上面的testByteCode的字節碼。裏面有很多iconst，istore的東西，這些東西被稱作Opcode，也就是一些基於棧的操作指令。

上面講了java bytecode的操作指令其實有很多個。下面我們列出這些指令的部分介紹：

實在是太多了，這裏就不把所有的列出來了。

我們看到的指令名字其實是一個助記詞，真實的Opcode是一個佔用兩個字節的数字。

下面我們來詳細解釋一下testByteCode方法：

public int testByteCode();
    Code:
       0: iconst_1
       1: istore_1
       2: iconst_2
       3: istore_2
       4: iload_1
       5: iload_2
       6: iadd
       7: ireturn

第一步，iconst_1將int 1加載到stack中。

第二步，istore_1將入棧的int 1出棧，並存儲到變量1中。

第三步，iconst_2將int 2入棧。

第四步，istore_2將入棧的int 2出棧，並存儲到變量2中。

第五步，iload_1將變量1中的值入棧。

第六步，iload_2將變量2中的值入棧。

第七步，iadd將棧中的兩個變量出棧，並相加。然後將結果入棧。

第八步，ireturn將棧中的結果出棧。

這幾步實際上完美的還原了我們在testByteCode方法中定義的功能。

當然我們只介紹了最賤的byte code命令，通過這些簡單的命令可以組合成為更加複雜的java命令。

總結

本文介紹了java byte code的作用和具體的指令，並分析了一個簡單的例子來做說明。希望大家能夠掌握。

本文的例子https://github.com/ddean2009/learn-java-base-9-to-20

本文作者：flydean程序那些事

本文鏈接：http://www.flydean.com/jvm-byte-code/

本文來源：flydean的博客

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