Java字节码

Java 字节码（英語：Java bytecode）是Java虚拟机执行的一种指令格式。大多数操作码（英语：Opcode）都是一个字节长，而有些操作需要参数，导致了有一些多字节的操作码。而且并不是所有可能的256个操作码都被使用；其中有51个操作码被保留做将来使用。除此之外，原始Java平台开发商，昇陽微系统，额外保留了3个代码永久不使用。

与Java的关系

一个Java程序员并不需要理解所有的Java字节码。但是，就像IBM developerWorks周刊建议的那样：“理解字节码以及理解Java编译器如何生成Java字节码与学习汇编知识对于C/C++程序员有一样的意义。”^[1]

指令

指令码为一个字节，有256个可能的代码值（2⁸=256），因此一个字节的指令码最多可能有256种不同的操作。其中，0x00、0xFE、0xCA、0xFF被指定保留。例如0xCA作为一个Java调试器的中断指令而从未被语言使用。相似地，0xFE和0xFF也未被语言使用^[2]。

指令可以基本分为以下几类：

• 存储指令 （例如：aload_0，istore）
• 算术与逻辑指令 （例如: ladd，fcmpl）
• 类型转换指令 （例如：i2b，d2i）
• 对象创建与操作指令 （例如：new，putfield）
• 堆栈操作指令 （例如：swap，dup2）
• 控制转移指令 （例如：ifeq，goto）
• 方法调用与返回指令 （例如：invokespecial，areturn)

除此之外，还有一些更特殊的指令，作为异常抛出或同步等作用。

大多数的指令有前缀和（或）后缀来表明其操作数的类型。如下表

前/后缀	操作数类型
i	整数
l	长整数
s	短整数
b	字节
c	字符
f	单精度浮点数
d	双精度浮点数
z	布尔值
a	引用

例如，"iadd"指令将两个整数相加；而"dadd"指令将两个double浮点数相加。

"const"、 "load"、 "store"等涉及存储命令还会使用"_n"后缀，其中 "load"和"store"命令中的n可以为0到3之间的整数；而"const"命令中的n由类型指定。"const"指令把一个指定类型的值放入堆栈。例如"iconst_5"指令将一个整数5放入堆栈；而"dconst_1"将一个双精度浮点数1放入堆栈。"aconst_null"指令是放入一个null进堆栈。而对于"load" "store"指令中的n，指定了变量表中的存储位置。"aload_0"指令把在变量0中的对象（通常是"this"对象）放入堆栈，"istore_1"指令把栈顶的一个整数放入变量1。对于更高的变量，后缀将被去除，而这条指令将需要操作数。

计算模型

Java字节码的计算模型是面向堆栈结构计算机的。例如，一个x86处理器的汇编代码如下

mov eax, byte [ebp-4] mov edx, byte [ebp-8] add eax, edx mov ecx, eax 

这段代码将两个数值相加，并存入另一个地址。相似的反汇编字节码如下

0 iload_1 1 iload_2 2 iadd 3 istore_3 

在这里，需要相加的两个操作数被放入堆栈，而相加操作就在栈中进行，其结果也被放入堆栈。存储指令之后把栈顶的数据放入一个变量地址。在每条指令前面的数字仅仅是表示这条指令到方法开始处的偏移值。这种堆栈结构也可以推广到面向对象模型上。例如，有一个"getName"方法如下

 Method java.lang.String getName()  0 aload_0 // "this"对象被存入变量0  1 getfield #5 <Field java.lang.String name>  // 这个指令从栈顶取出一个对象，并从中搜索一个指定的域  // 并将相应的数据存入栈顶。  // 这个例子中，"name"域对应于该类中的第五个常量。    4 areturn // 返回栈顶的对象作为函数的返回值 

例子

考虑如下Java代码

 outer:  for (int i = 2; i < 1000; i++) {  for (int j = 2; j < i; j++) {  if (i % j == 0)  continue outer;  }  System.out.println (i);  } 

假设上述代码位于一个函数中，Java编译器可能将代码翻译成下述的Java字节码。

 0: iconst_2  1: istore_1  2: iload_1  3: sipush 1000  6: if_icmpge 44  9: iconst_2  10: istore_2  11: iload_2  12: iload_1  13: if_icmpge 31  16: iload_1  17: iload_2  18: irem  19: ifne 25  22: goto 38  25: iinc 2, 1  28: goto 11  31: getstatic #84; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;  34: iload_1  35: invokevirtual #85; //Method java/io/PrintStream.println:(I)V  38: iinc 1, 1  41: goto 2  44: return 

基于Java字节码的语言

最常用的基于Java字节码的语言就是开发出Java字节码的Java语言。刚开始，只存在一个由昇陽微系统开发的一个编译器javac。而现在Java字节码规范已经可以得到，因此，第三方公司亦开发出支持Java字节码的编译器。例如：

• Jikes，编译Java源代码到Java字节码（由IBM开发，用C++实现）
• Espresso，编译Java源代码到Java字节码（仅支持Java 1.0）
• GCJ，GNU Compiler for Java，编译Java代码到Java字节码；亦可以编译到机器代码。作为GNU Compiler Collection (GCC)的一部分提供。

有一些项目提供Java汇编器以便于直接用Java字节码进行开发。主要的Java汇编器如下：

• Jasmin，读取Java类的文字描述；用一种简单的使用Java虚拟机指令的类汇编语法，输出Java类文件 ^[3]
• Jamaica， 一种为Java虚拟机编写的宏汇编语言。其中，类与接口由Java语法定义，而其中的方法却由Java字节码定义。^[4]

还有其他的一些编译器，对于其他语言生成Java字节码，使其可以运行在Java虚拟机之上。

• ColdFusion
• JRuby和Jython， 两种基于Ruby和Python的脚本语言
• Groovy, 一种基于Java的脚本语言
• Scala,一种类型安全的通用编程语言，支持面向对象编程和函数式编程
• JGNAT和AppleMagic,编译Ada语言到Java字节码
• Clojure, 一种函数式的通用编程语言，提供优秀的并发性。是一种LISP方言
• MIDletPascal
• JavaFX Script 由昇陽微系统公司开发的一种脚本语言，运行于Java虚拟机之上

运行

当前已经有很多种Java虚拟机产品，包括了自由软件和商业软件。 如果在Java虚拟机之中执行Java字节码并不理想，则可以使用一些工具例如GNU Compiler for Java将Java代码或Java字节码编译成机器码并由硬件直接运行。 而有一些处理器可以直接运行Java字节码，这种处理器名为Java处理器。

对动态语言的支持

Java虚拟机对动态类型语言提供了一定的支持。但绝大多数的Java虚拟机指令集是基于静态类型语言的。在静态类型机制下，方法调用中的类型分析都是在编译时执行的，而且缺乏一种机制在运行时确定一个类型已经确定相应的方法。

JSR292^[5]中，在Java虚拟机层次增加了一种支持动态类型的指令invokedynamic，以支持在动态类型检测中的方法调用。 达芬奇机器（英语：Da Vinci Machine）则是一种支持这种动态类型调用的虚拟机。 而所有支持JSE 7的Java虚拟机都应支持invokedynamic操作码。

参考文献

1. Understanding bytecode makes you a better programmer. [2014-01-28]. （原始内容于2008-12-08）. 
2. 存档副本. [2014-01-28]. （原始内容于2013-02-21）. 
3. . [2020-06-21]. （原始内容存档于2020-04-17）. 
4. . [2014-01-28]. （原始内容存档于2012-06-24）. 
5. see JSR 292. [2014-01-28]. （原始内容于2020-12-20）.