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张乾
459
专栏/深入浅出Java虚拟机-完/21动手实践：不为人熟知的字节码指令.md
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459
专栏/深入浅出Java虚拟机-完/21动手实践：不为人熟知的字节码指令.md
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@ -0,0 +1,459 @@
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因收到Google相关通知，网站将会择期关闭。相关通知内容
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21 动手实践：不为人熟知的字节码指令
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本课时我们主要分享一个实践案例：不为人熟知的字节码指令。
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下面将通过介绍 Java 语言中的一些常见特性，来看一下字节码的应用，由于 Java 特性非常多，这里我们仅介绍一些经常遇到的特性。javap 是手中的利器，复杂的概念都可以在这里现出原形，并且能让你对此产生深刻的印象。
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本课时代码比较多，相关代码示例都可以在仓库中找到，建议实际操作一下。
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异常处理
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在上一课时中，细心的你可能注意到了，在 synchronized 生成的字节码中，其实包含两条 monitorexit 指令，是为了保证所有的异常条件，都能够退出。
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这就涉及到了 Java 字节码的异常处理机制，如下图所示。
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如果你熟悉 Java 语言，那么对上面的异常继承体系一定不会陌生，其中，Error 和 RuntimeException 是非检查型异常（Unchecked Exception），也就是不需要 catch 语句去捕获的异常；而其他异常，则需要程序员手动去处理。
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异常表
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在发生异常的时候，Java 就可以通过 Java 执行栈，来构造异常栈。回想一下第 02 课时中的栈帧，获取这个异常栈只需要遍历一下它们就可以了。
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但是这种操作，比起常规操作，要昂贵的多。Java 的 Log 日志框架，通常会把所有错误信息打印到日志中，在异常非常多的情况下，会显著影响性能。
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我们还是看一下上一课时生成的字节码：
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void doLock();
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descriptor: ()V
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flags:
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Code:
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stack=2, locals=3, args_size=1
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0: aload_0
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1: getfield #3 // Field lock:Ljava/lang/Object;
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4: dup
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5: astore_1
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6: monitorenter
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7: getstatic #4 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
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10: ldc #8 // String lock
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12: invokevirtual #6 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
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15: aload_1
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16: monitorexit
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17: goto 25
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20: astore_2
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21: aload_1
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22: monitorexit
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23: aload_2
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24: athrow
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25: return
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Exception table:
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from to target type
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7 17 20 any
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20 23 20 any
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可以看到，编译后的字节码，带有一个叫 Exception table 的异常表，里面的每一行数据，都是一个异常处理器：
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from 指定字节码索引的开始位置
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to 指定字节码索引的结束位置
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target 异常处理的起始位置
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type 异常类型
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也就是说，只要在 from 和 to 之间发生了异常，就会跳转到 target 所指定的位置。
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finally
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通常我们在做一些文件读取的时候，都会在 finally 代码块中关闭流，以避免内存的溢出。关于这个场景，我们再分析一下下面这段代码的异常表。
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import java.io.FileInputStream;
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import java.io.FileNotFoundException;
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import java.io.IOException;
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import java.io.InputStream;
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public class A {
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public void read() {
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InputStream in = null;
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try {
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in = new FileInputStream("A.java");
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} catch (FileNotFoundException e) {
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e.printStackTrace();
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} finally {
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if (null != in) {
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try {
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in.close();
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} catch (IOException e) {
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e.printStackTrace();
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}
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}
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}
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}
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}
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上面的代码，捕获了一个 FileNotFoundException 异常，然后在 finally 中捕获了 IOException 异常。当我们分析字节码的时候，却发现了一个有意思的地方：IOException 足足出现了三次。
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Exception table:
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from to target type
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17 21 24 Class java/io/IOException
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2 12 32 Class java/io/FileNotFoundException
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42 46 49 Class java/io/IOException
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2 12 57 any
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32 37 57 any
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63 67 70 Class java/io/IOException
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Java 编译器使用了一种比较傻的方式来组织 finally 的字节码，它分别在 try、catch 的正常执行路径上，复制一份 finally 代码，追加在 正常执行逻辑的后面；同时，再复制一份到其他异常执行逻辑的出口处。
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这也是下面这段方法不报错的原因，都可以在字节码中找到答案。
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//B.java
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public int read() {
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try {
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int a = 1 / 0;
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return a;
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} finally {
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return 1;
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}
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}
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下面是上面程序的字节码，可以看到，异常之后，直接跳转到序号 8 了。
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stack=2, locals=4, args_size=1
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0: iconst_1
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1: iconst_0
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2: idiv
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3: istore_1
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4: iload_1
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5: istore_2
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6: iconst_1
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7: ireturn
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8: astore_3
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9: iconst_1
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10: ireturn
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Exception table:
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from to target type
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0 6 8 any
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装箱拆箱
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在刚开始学习 Java 语言的你，可能会被自动装箱和拆箱搞得晕头转向。Java 中有 8 种基本类型，但鉴于 Java 面向对象的特点，它们同样有着对应的 8 个包装类型，比如 int 和 Integer，包装类型的值可以为 null，很多时候，它们都能够相互赋值。
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我们使用下面的代码从字节码层面上来观察一下：
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public class Box {
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public Integer cal() {
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Integer a = 1000;
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int b = a * 10;
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return b;
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}
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}
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上面是一段简单的代码，首先使用包装类型，构造了一个值为 1000 的数字，然后乘以 10 后返回，但是中间的计算过程，使用了普通类型 int。
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public java.lang.Integer read();
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descriptor: ()Ljava/lang/Integer;
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flags: ACC_PUBLIC
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Code:
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stack=2, locals=3, args_size=1
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0: sipush 1000
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3: invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
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6: astore_1
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7: aload_1
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8: invokevirtual #3 // Method java/lang/Integer.intValue:()I
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11: bipush 10
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13: imul
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14: istore_2
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15: iload_2
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16: invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
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19: areturn
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通过观察字节码，我们发现赋值操作使用的是 Integer.valueOf 方法，在进行乘法运算的时候，调用了 Integer.intValue 方法来获取基本类型的值。在方法返回的时候，再次使用了 Integer.valueOf 方法对结果进行了包装。
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这就是 Java 中的自动装箱拆箱的底层实现。
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但这里有一个 Java 层面的陷阱问题，我们继续跟踪 Integer.valueOf 方法。
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@HotSpotIntrinsicCandidate
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public static Integer valueOf(int i) {
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if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
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return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
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return new Integer(i);
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}
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这个 IntegerCache，缓存了 low 和 high 之间的 Integer 对象，可以通过 -XX:AutoBoxCacheMax 来修改上限。
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下面是一道经典的面试题，请考虑一下运行代码后，会输出什么结果？
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public class BoxCacheError{
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public static void main(String[] args) {
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Integer n1 = 123;
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Integer n2 = 123;
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Integer n3 = 128;
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Integer n4 = 128;
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System.out.println(n1 == n2);
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System.out.println(n3 == n4);
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}
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当我使用 java BoxCacheError 执行时，是 true,false；当我加上参数 java -XX:AutoBoxCacheMax=256 BoxCacheError 执行时，结果是 true,ture，原因就在于此。
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数组访问
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我们都知道，在访问一个数组长度的时候，直接使用它的属性 .length 就能获取，而在 Java 中却无法找到对于数组的定义。
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比如 int[] 这种类型，通过 getClass（getClass 是 Object 类中的方法）可以获取它的具体类型是 [I。
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其实，数组是 JVM 内置的一种对象类型，这个对象同样是继承的 Object 类。
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我们使用下面一段代码来观察一下数组的生成和访问。
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public class ArrayDemo {
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int getValue() {
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int[] arr = new int[]{
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1111, 2222, 3333, 4444
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};
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return arr[2];
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}
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int getLength(int[] arr) {
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return arr.length;
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}
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}
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首先看一下 getValue 方法的字节码。
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int getValue();
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descriptor: ()I
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flags:
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Code:
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stack=4, locals=2, args_size=1
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0: iconst_4
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1: newarray int
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3: dup
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4: iconst_0
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5: sipush 1111
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8: iastorae
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9: dup
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10: iconst_1
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11: sipush 2222
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14: iastore
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15: dup
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16: iconst_2
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||||
17: sipush 3333
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||||
20: iastore
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||||
21: dup
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22: iconst_3
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||||
23: sipush 4444
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26: iastore
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27: astore_1
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28: aload_1
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29: iconst_2
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30: iaload
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31: ireturn
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可以看到，新建数组的代码，被编译成了 newarray 指令。数组里的初始内容，被顺序编译成了一系列指令放入：
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sipush 将一个短整型常量值推送至栈顶；
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iastore 将栈顶 int 型数值存入指定数组的指定索引位置。
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为了支持多种类型，从操作数栈存储到数组，有更多的指令：bastore、castore、sastore、iastore、lastore、fastore、dastore、aastore。
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数组元素的访问，是通过第 28 ~ 30 行代码来实现的：
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aload_1 将第二个引用类型本地变量推送至栈顶，这里是生成的数组；
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iconst_2 将 int 型 2 推送至栈顶；
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iaload 将 int 型数组指定索引的值推送至栈顶。
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值得注意的是，在这段代码运行期间，有可能会产生 ArrayIndexOutOfBoundsException，但由于它是一种非捕获型异常，我们不必为这种异常提供异常处理器。
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我们再看一下 getLength 的字节码，字节码如下：
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int getLength(int[]);
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descriptor: ([I)I
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flags:
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Code:
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stack=1, locals=2, args_size=2
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0: aload_1
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1: arraylength
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2: ireturn
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可以看到，获取数组的长度，是由字节码指令 arraylength 来完成的。
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foreach
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无论是 Java 的数组，还是 List，都可以使用 foreach 语句进行遍历，比较典型的代码如下：
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import java.util.List;
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public class ForDemo {
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void loop(int[] arr) {
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for (int i : arr) {
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System.out.println(i);
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}
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}
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void loop(List<Integer> arr) {
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||||
for (int i : arr) {
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||||
System.out.println(i);
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}
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}
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虽然在语言层面它们的表现形式是一致的，但实际实现的方法并不同。我们先看一下遍历数组的字节码：
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void loop(int[]);
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descriptor: ([I)V
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flags:
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Code:
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stack=2, locals=6, args_size=2
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0: aload_1
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1: astore_2
|
||||
2: aload_2
|
||||
3: arraylength
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||||
4: istore_3
|
||||
5: iconst_0
|
||||
6: istore 4
|
||||
8: iload 4
|
||||
10: iload_3
|
||||
11: if_icmpge 34
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||||
14: aload_2
|
||||
15: iload 4
|
||||
17: iaload
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||||
18: istore 5
|
||||
20: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
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||||
23: iload 5
|
||||
25: invokevirtual #3 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
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||||
28: iinc 4, 1
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31: goto 8
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34: return
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可以很容易看到，它将代码解释成了传统的变量方式，即 for(int i;i 的形式。
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而 List 的字节码如下：
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void loop(java.util.List<java.lang.Integer>);
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Code:
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0: aload_1
|
||||
1: invokeinterface #4, 1 // InterfaceMethod java/util/List.iterator:()Ljava/util/Iterator;
|
||||
6: astore_2-
|
||||
7: aload_2
|
||||
8: invokeinterface #5, 1 // InterfaceMethod java/util/Iterator.hasNext:()Z
|
||||
13: ifeq 39
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||||
16: aload_2
|
||||
17: invokeinterface #6, 1 // InterfaceMethod java/util/Iterator.next:()Ljava/lang/Object;
|
||||
22: checkcast #7 // class java/lang/Integer
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||||
25: invokevirtual #8 // Method java/lang/Integer.intValue:()I
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||||
28: istore_3
|
||||
29: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
|
||||
32: iload_3
|
||||
33: invokevirtual #3 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
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||||
36: goto 7
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39: return
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它实际是把 list 对象进行迭代并遍历的，在循环中，使用了 Iterator.next() 方法。
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使用 jd-gui 等反编译工具，可以看到实际生成的代码：
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void loop(List<Integer> paramList) {
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for (Iterator<Integer> iterator = paramList.iterator(); iterator.hasNext(); ) {
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int i = ((Integer)iterator.next()).intValue();
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System.out.println(i);
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}
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}
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注解
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注解在 Java 中得到了广泛的应用，Spring 框架更是由于注解的存在而起死回生。注解在开发中的作用就是做数据约束和标准定义，可以将其理解成代码的规范标准，并帮助我们写出方便、快捷、简洁的代码。
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那么注解信息是存放在哪里的呢？我们使用两个 Java 文件来看一下其中的一种情况。
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MyAnnotation.java
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public @interface MyAnnotation {
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}
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AnnotationDemo
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||||
@MyAnnotation
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||||
public class AnnotationDemo {
|
||||
@MyAnnotation
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||||
public void test(@MyAnnotation int a){
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||||
|
||||
}
|
||||
}
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||||
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下面我们来看一下字节码信息。
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{
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public AnnotationDemo();
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||||
descriptor: ()V
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||||
flags: ACC_PUBLIC
|
||||
Code:
|
||||
stack=1, locals=1, args_size=1
|
||||
0: aload_0
|
||||
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
|
||||
4: return
|
||||
LineNumberTable:
|
||||
line 2: 0
|
||||
|
||||
public void test(int);
|
||||
descriptor: (I)V
|
||||
flags: ACC_PUBLIC
|
||||
Code:
|
||||
stack=0, locals=2, args_size=2
|
||||
0: return
|
||||
LineNumberTable:
|
||||
line 6: 0
|
||||
RuntimeInvisibleAnnotations:
|
||||
0: #11()
|
||||
RuntimeInvisibleParameterAnnotations:
|
||||
0:
|
||||
0: #11()
|
||||
}
|
||||
SourceFile: "AnnotationDemo.java"
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RuntimeInvisibleAnnotations:
|
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0: #11()
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可以看到，无论是类的注解，还是方法注解，都是由一个叫做 RuntimeInvisibleAnnotations 的结构来存储的，而参数的存储，是由 RuntimeInvisibleParameterAnotations 来保证的。
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小结
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本课时我们简单介绍了一下工作中常见的一些问题，并从字节码层面分析了它的原理，包括异常的处理、finally 块的执行顺序；以及隐藏的装箱拆箱和 foreach 语法糖的底层实现。
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由于 Java 的特性非常多，这里不再一一列出，但都可以使用这种简单的方式，一窥究竟。可以认为本课时属于抛砖引玉，给出了一种学习思路。
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另外，也可以对其中的性能和复杂度进行思考。可以注意到，在隐藏的装箱拆箱操作中，会造成很多冗余的字节码指令生成。那么，这个东西会耗性能吗？答案是肯定的，但是也不必纠结于此。
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你所看到的字节码指令，可能洋洋洒洒几千行，看起来很吓人，但执行速度几乎都是纳秒级别的。Java 的无数框架，包括 JDK，也不会为了优化这种性能对代码进行限制。了解其原理，但不要舍本逐末，比如减少一次 Java 线程的上下文切换，就比你优化几千个装箱拆箱动作，来的更快捷一些。
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Reference in New Issue
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