一步一步实现简单安卓性能监控SDK之熟悉字节码指令

  1. 字节码与数据类型

在Java虚拟机的指令集中,大多数的指令都包含了操作所对应的数据类型信息。比如iload指令表示从局部变量表中加载int型数据到操作数栈中,而fload表示加载float类型的数据。不过,这两条指令再虚拟机的内部可能是由同一段代码来实现的,但在class文件中必须有自己的操作码。

我们已经知道Java指令的长度只有一个字节,这就限制了指令集的大小。如果每个指令都像上面两个指令那样包含所有的数据类型,那么就有可能导致指令过多。因此,Java虚拟机的指令集对于特定的操作只提供了有限的类型相关指令去支持它。比如,大多数指令没有支持整数类型byte、char和short,甚至没有指令支持boolean类型。

这些指令中都有特殊的字符来表示专门支持的类型:i代表int类型,l代表long,s代表short,b代表byte,c代表char,f代表float,d代表double,a代表Reference。

这里仅仅介绍一下指令的种类以及作用,并不会过多的介绍各个指令的含义以及使用,需要的话可以查看《Java虚拟机规范(Java SE 7版)》。

  1. 加载和存储指令

加载指令用于将局部变量表中的数据传送到操作数栈中,而存储指令用于将操作数栈中的结果传送到局部变量表中。这类指令包括如下几种:

将一个局部变量加载到操作栈,比如iload、iload、fload、fload、lload、lload、dload、dload、aload、aload;

将一个数值从操作数栈存储到局部变量表,比如istore、istore、lstore、lstore、fstore、fstore、dstore、dstore、astore、astore;

将一个常量加载到操作数栈,比如bipush、sipush、ldc、ldc_w、ldc2w、aconst_null、iconst_ml、iconst、lconst_、fconst_、dconst_;

扩充局部变量表的访问索引的指令:wide;

上面中带尖括号的指令实际是一组指令。比如iload,代表了iload_1、iload_2和iload_3。这几组指令是某个带操作数的指令(比如iload)的特殊形式,它们省略了操作数,不过操作数隐含在指令中。

  1. 运算指令

运算或算术指令用于对一个或两个操作数栈上的值进行某种特定的运算,并将结果存入栈顶。大体上可以分为两种,对整数进行运算的指令和对浮点数进行运算的指令。不过,由于没有支持byte、short、char和boolean的算术指令,对于这些数据的运算,会把它们转化为int类型进行运算。指令列出如下:
<pre>
加法指令:iadd、ladd、fadd、dadd;

减法指令:isub、lsub、fsub、dsub;

乘法指令:imul、lmul、fmul、dmul;

除法指令:idiv、ldiv、fdiv、ddiv;

求余指令:irem、lrem、frem、drem;

取反指令:ineg、lneg、fneg、dneg;

位移指令:ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr;

按位或指令:ior、lor;

按位与指令:iand、land;

按位异或指令:ixor、lxor;

局部变量自增指令:iinc;

比较指令:dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp;
</pre>

  1. 类型转换指令

类型转换指令用来将两种不同类型进行转换,这些转换操作一般用于实现代码中的显示类型转换操作,或者前面提到的字节码指令集中数据类型相关指令无法与数据类型一一对应的问题。

虚拟机直接支持宽化类型转换,即小范围类型向大范围类型的安全转换,不需要显示的转换指令。

但是处理窄化类型转换时,必须显示使用转换指令来完成,这些指令包括:i2b、i2c、i2s、l2i、f2l、d2i、d2l和d2f。这些指令可能会导致数值的精度丢失。

  1. 对象创建与访问指令

虽然类实例和数组都是对象,但是虚拟机创建类对象和数组的指令是不同的。对象创建后,就可以通过对象访问指令获取对象实例或者数组实例中的字段或数组元素,指令如下:

创建类实例的指令:new;

创建数组的指令:newarray、anewarray、multianewarray;

访问类字段和实例字段的指令:getfield、putfield、getstatic、putstatic;

把一个数组元素加载到操作数栈的指令:baload、caload、saload、iaload、laload、faload、daload、aaload;

将一个操作数栈的值存储到数组元素中的指令:bastore、castore、sastore、iastore、fastore、dastore、aastore;

取数组长度的指令:arraylength;

检查类实例类型的指令:instanceof、checkcast;

  1. 操作数栈管理指令

就像操作一个普通的栈一样,Java虚拟机提供了一些用于直接操作操作数栈的指令,包括:

将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈:pop、pop2;

复制栈顶一个或两个数值并将复制值或双份的复制值重新压入栈顶:dup、dup2、dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2;

将栈顶最顶端的两个数值互换:swap;

  1. 控制转移指令

控制转移指令可以让Java虚拟机有条件或无条件的从指定的位置指令而不是控制转移指令的下一条指令继续执行,可以理解为控制转移指令改变了PC寄存器的值。指令如下:

条件分支:ifeq、iflt、ifle、ifgt、ifge、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、if_icmpgt、、if_icmpge、if_acmpeq和if_acmpne;

复合条件分支:tableswitch、lookupswitch;

无条件分支:goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret;

  1. 方法调用和返回指令

这里仅仅列出5条用于方法调用的指令:

invokevirtual指令用于调用对象的实例方法,根据对象的实际类型进行分派(虚方法分派),这也是Java语言中最常见的方法分派方式;

invokeinterface指令用于调用接口方法,它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象,找出适合的方法进行调用;

invokespecial指令用于调用一些需要特殊处理的实例方法,包括实例初始化方法、私有方法和父类方法;

invokestatic指令用于调用类方法(static方法);

invokedynamic指令用于在运行时动态解析出调用点限定符索引用的方法,并执行方法,前面4条指令的分派逻辑都固化在Java虚拟机内部,而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的;

方法调用指令与类型无关,但是方法返回指令是根据返回值的类型区分的,包括ireturn、lreturn、freturn、dreturn和areturn,另外还有一个return指令供声明为void的方法、实例初始化方法以及类和接口的类初始化方法使用。

  1. 异常处理指令

在Java程序中显式抛出异常的操作(throw语句)都是由athrow指令来实现的,除了用throw语句显式抛出异常外,Java虚拟机规范还规定了许多运行时异常会在其他Java虚拟机指令检测到异常状况时自动抛出。

而在Java虚拟机中,处理异常(catch语句)不是由字节码指令来完成的,而是采用异常表来完成的。

  1. 同步指令

Java虚拟机可以支持方法级的同步和方法内部一段指令序列的同步,这两种同步结构都是使用管程(Monitor)来支持的。

方法级的同步是隐式的,即不需要通过字节码指令来控制,它实现在方法调用和返回操作中。虚拟机可以从方法常量池的方法表结构中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志得知一个方法是否声明为同步方法。当方法调用时,调用指令就会去检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置了,如果设置,执行线程就要求持有管程。在方法执行期间,执行线程持有了管程,其他任何线程都无法再获取到同一个管程。如果一个方法在执行期间发生了异常,并在方法中无法处理此异常,那么这个同步方法所持有的管程将在异常抛出后自动释放。

同步一段指令集序列通常是由Java语言中的synchronized语句块表示的,Java虚拟机的指令集中有monitorenter和monitorexit指令来支持synchronized关键字的语义。正确实现synchronized关键字需要Javac编译器和Java虚拟机两者共同协作。编译器必须保证每个monitorenter指令都有对应的monitorexit指令。

参考:http://cyw3.github.io/YalesonChan/2016/Java-Byte-Code.html#4.1

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 203,362评论 5 477
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 85,330评论 2 381
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 150,247评论 0 337
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,560评论 1 273
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,580评论 5 365
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,569评论 1 281
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 37,929评论 3 395
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,587评论 0 258
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 40,840评论 1 297
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,596评论 2 321
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,678评论 1 329
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,366评论 4 318
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,945评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,929评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,165评论 1 259
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 43,271评论 2 349
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,403评论 2 342

推荐阅读更多精彩内容