字节码学习之常见java语句的底层原理
文章目录
- 前言
- 1. if语句
- 字节码的解析
- 2. for循环
- 字节码的解析
- 3. while循环
- 4. switch语句
- 5. try-catch语句
- 6. i++ 和++i的字节码
- 7. try-catch-finally
- 8. 参考文档
前言
上一章我们聊了《JVM字节码指令详解》 。本章我们学以致用，聊一下我们常见的一些java语句的特性底层是如何实现。
1. if语句
if语句是我们最常用的判断语句之一，它的底层实现原理是什么呢？可以通过反编译字节码来分析一下。
假设我们有以下的java代码：
public class IfStatement {public static void main(String[] args) {int a = 10;if (a > 0) {System.out.println("a is positive");} else {System.out.println("a is negative or zero");}}
}
可以使用javap命令来反编译字节码：
javap -c IfStatement.class
输出结果如下：
public class IfStatement {// 构造方法public IfStatement();Code:0: aload_0 // 将局部变量表中的第0个元素（通常是this引用）入栈1: invokespecial #1 // 调用父类Object的构造方法4: return // 方法返回// main方法public static void main(java.lang.String[]);Code:0: bipush 10 // 将10压入栈顶2: istore_1 // 将栈顶元素（10）存入局部变量表的第1个位置3: iload_1 // 将局部变量表的第1个位置的元素（10）入栈4: ifle 17 // 判断栈顶元素（10）是否小于等于0，如果是则跳转到指令177: getstatic #2 // 获取System类的out字段，类型是PrintStream10: ldc #3 // 将字符串"a is positive"压入栈顶12: invokevirtual #4 // 调用PrintStream的println方法输出字符串15: goto 23 // 无条件跳转到指令2318: getstatic #2 // 获取System类的out字段，类型是PrintStream21: invokevirtual #5 // 调用PrintStream的println方法输出局部变量表第1个位置的元素（10）24: return // 方法返回
}
字节码的解析
- 在main方法中，首先将10压入栈顶，然后将其存入局部变量表的第1个位置。然后将局部变量表的第1个位置的元素（10）入栈，判断其是否小于等于0，如果是则跳转到指令17，否则执行下一条指令。在指令7-15中，它获取System的out字段，将字符串"a is positive"压入栈顶，然后调用println方法输出这个字符串，最后无条件跳转到指令23。在指令18-21中，它获取System的out字段，然后调用println方法输出局部变量表第1个位置的元素（10）。最后，main方法返回。
2. for循环
for循环是我们常用的循环语句之一，它的底层实现原理是什么呢？我们还是可以通过反编译字节码来分析一下。
假设我们有以下的java代码：
public class ForLoop {public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println("i = " + i);}}
}
可以使用javap命令来反编译字节码：
javap -c ForLoop.class
这是一个包含for循环的Java类ForLoop的字节码输出，下面是中文注释：
public class ForLoop {// 构造方法public ForLoop();Code:0: aload_0 // 将局部变量表中的第0个元素（通常是this引用）入栈1: invokespecial #1 // 调用父类Object的构造方法4: return // 方法返回// main方法public static void main(java.lang.String[]);Code:0: iconst_0 // 将0压入栈顶1: istore_1 // 将栈顶元素（0）存入局部变量表的第1个位置2: iload_1 // 将局部变量表的第1个位置的元素（0）入栈3: bipush 10 // 将10压入栈顶5: if_icmpge 19 // 如果局部变量表的第1个位置的元素（0）大于等于栈顶元素（10），则跳转到指令198: getstatic #2 // 获取System类的out字段，类型是PrintStream11: new #3 // 创建一个StringBuilder类的对象14: dup // 复制栈顶元素，此时栈顶有两个相同的StringBuilder对象引用15: invokespecial #4 // 调用StringBuilder类的构造函数初始化对象18: ldc #5 // 将字符串"i ="压入栈顶20: invokevirtual #6 // 调用StringBuilder的append方法将字符串添加到StringBuilder23: iload_1 // 将局部变量表的第1个位置的元素（0）入栈24: invokevirtual #7 // 调用StringBuilder的append方法将数字添加到StringBuilder27: invokevirtual #8 // 调用StringBuilder的toString方法将StringBuilder转化为字符串30: invokevirtual #9 // 调用PrintStream的println方法输出字符串33: iinc 1, 1 // 将局部变量表的第1个位置的元素（0）增加136: goto 2 // 无条件跳转到指令2，形成循环39: return // 方法返回LineNumberTable:line 3: 0line 4: 8line 3: 33line 6: 39StackMapTable: number_of_entries = 2frame_type = 252 /* append */offset_delta = 2locals = [ int, int ]stack = []frame_type = 250 /* chop */offset_delta = 36
}
字节码的解析
可以看到，for循环的底层实现是通过if_icmpge指令来实现的。在本例中，当i小于10时，会执行第8行的输出语句；否则，会跳转到第39行，结束循环。
- 在main方法中，首先将0压入栈顶，然后将其存入局部变量表的第1个位置。接下来是一个循环，循环条件是局部变量表的第1个位置的元素小于10。在循环体中，它首先获取System的out字段，然后创建一个StringBuilder对象并初始化，然后将字符串"i ="和局部变量表的第1个位置的元素添加到StringBuilder，然后将StringBuilder转化为字符串，然后调用println方法输出字符串。在循环体结束时，它将局部变量表的第1个位置的元素加1，然后无条件跳转到指令2，形成循环。当循环结束时，main方法返回。
3. while循环
while循环是我们常用的循环语句之一，它的底层实现原理是什么呢？我们还是可以通过反编译字节码来分析一下。
假设我们有以下的java代码：
public class WhileLoop {public static void main(String[] args) {int i = 0;while (i < 10) {System.out.println("i = " + i);i++;}}
}
可以使用javap命令来反编译字节码：
javap -c WhileLoop.class
输出结果如下：
public class WhileLoop {public WhileLoop();Code:0: aload_01: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnpublic static void main(java.lang.String[]);Code:0: iconst_01: istore_12: iload_13: bipush 105: if_icmpge 198: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;11: new #3 // class java/lang/StringBuilder14: dup15: invokespecial #4 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V18: ldc #5 // String i =20: invokevirtual #6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;23: iload_124: invokevirtual #7 // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;27: invokevirtual #8 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;30: invokevirtual #9 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V33: iinc 1, 136: goto 239: returnLineNumberTable:line 3: 0line 4: 2line 5: 8line 6: 33line 5: 36line 8: 39StackMapTable: number_of_entries = 2frame_type = 252 /* append */offset_delta = 2locals = [ int, int ]stack = []frame_type = 250 /* chop */offset_delta = 36
}
可以看到，while循环的底层实现也是通过if_icmpge指令来实现的。在本例中，当i小于10时，会执行第8行的输出语句；否则，会跳转到第39行，结束循环。
4. switch语句
switch语句是我们常用的分支语句之一，它的底层实现原理是什么呢？我们还是可以通过反编译字节码来分析一下。
假设我们有以下的java代码：
public class SwitchStatement {public static void main(String[] args) {int i = 2;switch (i) {case 1:System.out.println("i is 1");break;case 2:System.out.println("i is 2");break;case 3:System.out.println("i is 3");break;default:System.out.println("i is neither 1, 2 nor 3");break;}}
}
可以使用javap命令来反编译字节码：
javap -c SwitchStatement.class
输出结果如下：
public class SwitchStatement {public SwitchStatement();Code:0: aload_01: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnpublic static void main(java.lang.String[]);Code:0: iconst_21: istore_12: iload_13: tableswitch { // 1 to 31: 282: 403: 52default: 64}28: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;31: ldc #3 // String i is 133: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V36: goto 7140: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;43: ldc #5 // String i is 245: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V48: goto 7152: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;55: ldc #6 // String i is 357: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V60: goto 7164: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;67: invokevirtual #7 // Method java/io/PrintStream.println:()V70: return71: returnLineNumberTable:line 3: 0line 4: 2line 5: 28line 6: 40line 7: 52line 8: 64line 9: 70line 7: 71StackMapTable: number_of_entries = 5frame_type = 252 /* append */offset_delta = 28locals = [ int ]frame_type = 252 /* append */offset_delta = 11locals = [ int ]frame_type = 252 /* append */offset_delta = 12locals = [ int ]frame_type = 252 /* append */offset_delta = 12locals = [ int ]frame_type = 252 /* append */offset_delta = 3locals = [ int ]
可以看到，switch语句的底层实现是通过tableswitch指令来实现的。在本例中，当i等于1时，会执行第28行的输出语句；当i等于2时，会执行第40行的输出语句；当i等于3时，会执行第52行的输出语句；否则，会执行第64行的输出语句。
5. try-catch语句
try-catch语句是我们常用的异常处理语句之一，它的底层实现原理是什么呢？我们还是可以通过反编译字节码来分析一下。
假设我们有以下的java代码：
public class TryCatchStatement {public static void main(String[] args) {try {int[] arr = new int[3];arr[4] = 5;} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {System.out.println("Array index out of bounds!");}}
}
可以使用javap命令来反编译字节码：
javap -c TryCatchStatement.class
输出结果如下：
public class TryCatchStatement {public TryCatchStatement();Code:0: aload_01: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnpublic static void main(java.lang.String[]);Code:0: iconst_01: newarray int3: astore_14: aload_15: iconst_46: iconst_57: iastore8: goto 1911: astore_112: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;15: ldc #3 // String Array index out of bounds!17: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V20: returnException table:from to target type0 8 11 Class java/lang/ArrayIndexOutOfBoundsExceptionLineNumberTable:line 3: 0line 4: 4line 5: 11line 6: 12line 7: 20StackMapTable: number_of_entries = 2frame_type = 34 /* same */frame_type = 1 /* same_locals_1_stack_item */stack = [ class java/lang/ArrayIndexOutOfBoundsException ]
}
可以看到，try-catch语句的底层实现是通过异常表来实现的。在本例中，当数组下标越界时，会执行第12行的输出语句；否则，会跳转到第20行，继续执行。
6. i++ 和++i的字节码
i++ 和 ++i 在语义上有些许不同，在字节码层面也有所体现。下面是它们的字节码层面的解释：
假设 i 是局部变量表的索引为1的变量。
i++ 的伪字节码：
iload_1 // 从局部变量表中加载变量 i 到操作数栈顶
iinc 1 by 1 // 将局部变量表中的变量 i 增加1
++i 的伪字节码：
iinc 1 by 1 // 将局部变量表中的变量 i 增加1
iload_1 // 从局部变量表中加载变量 i 到操作数栈顶
可以看到，i++ 与 ++i 的主要区别在于加载和增加操作的顺序不同。i++ 是先将 i 加载到操作数栈顶，然后再增加 i 的值；而 ++i 是先增加 i 的值，然后再将 i 加载到操作数栈顶。这就解释了 i++ 和 ++i 在语义上的不同：i++ 是先取值后加1，++i 是先加1后取值。
7. try-catch-finally
在 Java 字节码中，try-catch-finally 结构主要通过异常表（Exception Table）来实现。Java 字节码并没有专门的指令来表示 try、catch 或者 finally 块。相反，它通过在异常表中记录 try 块的开始和结束位置、catch 块的开始位置和要捕获的异常类型，以实现异常处理的流程。
下面是一个简单的 try-catch-finally 代码例子：
void test() {try {System.out.println("try block");throw new Exception();} catch (Exception e) {System.out.println("catch block");} finally {System.out.println("finally block");}
}
对应的字节码指令
0: getstatic #2 // 获取 java/lang/System 类的 out 字段，是 PrintStream 类型
3: ldc #3 // 将常量池中的 "try block" 字符串压入栈顶
5: invokevirtual #4 // 调用 PrintStream 类的 println 方法输出字符串
8: new #5 // 创建一个 java/lang/Exception 类的对象
11: dup // 复制栈顶的元素，此时栈顶有两个相同的异常对象引用
12: invokespecial #6 // 调用 Exception 类的构造函数初始化对象
15: athrow // 抛出栈顶的异常对象
16: astore_1 // 捕获异常并存入局部变量表的第1个位置
17: getstatic #2 // 获取 java/lang/System 类的 out 字段，是 PrintStream 类型
20: ldc #7 // 将常量池中的 "catch block" 字符串压入栈顶
22: invokevirtual #4 // 调用 PrintStream 类的 println 方法输出字符串
25: jsr 26 // 无条件跳转到指令26（finally块的起始位置）
28: goto 34 // 执行完finally块后，跳过 catch 块剩下的代码，进入下一个处理流程
31: astore_2 // 捕获从finally块抛出的异常并存入局部变量表的第2个位置
32: jsr 26 // 无条件跳转到指令26（finally块的起始位置）
35: aload_2 // 从局部变量表的第2个位置加载异常对象至栈顶
36: athrow // 再次抛出该异常对象
37: astore_3 // 捕获异常并存入局部变量表的第3个位置
38: getstatic #2 // 获取 java/lang/System 类的 out 字段，是 PrintStream 类型
41: ldc #8 // 将常量池中的 "finally block" 字符串压入栈顶
43: invokevirtual #4 // 调用 PrintStream 类的 println 方法输出字符串
46: ret 3 // 返回到 astore_3 指令之后的代码
这段字节码中使用了 jsr 和 ret 指令，这两个指令主要用于实现 finally 块的逻辑。jsr 指令会跳转到 finally 块的代码，然后 ret 指令用于返回到 finally 块之前的代码继续执行。
字节码的解释
-
行0-15：这部分对应 try 块的内容。在这个例子中，它首先通过 getstatic 指令获取 System.out 对象，然后通过 ldc 指令加载常量 “try block”，最后调用 println 方法输出这个字符串。然后，它创建一个 Exception 对象并抛出。
-
行16-25：这部分对应 catch 块的内容。当 try 块抛出异常时，执行流程会跳转到这部分。在这个例子中，它首先通过 astore 指令将异常对象存储到局部变量表，然后类似于 try 块的处理，输出 “catch block” 字符串。
-
行37-46：这部分对应 finally 块的内容。无论 try 块是否抛出异常，这部分代码总是会被执行。在这个例子中，它输出 “finally block” 字符串。
-
行25-32和行35-36：这部分是对异常处理的一些额外控制。jsr 和 ret 指令用于实现无条件的跳转，确保 finally 块总是会被执行。
8. 参考文档
- 张亚 《深入理解JVM字节码》
- https://www.jonesjalapat.com/2021/09/11/internal-working-of-java-virtual-machine/