JVM 技术详解：Java 字节码技术（万字长文）

Java 中的字节码，英文名为 bytecode, 是 Java 代码编译后的中间代码格式。JVM 需要读取并解析字节码才能执行相应的任务。

从技术人员的角度看，Java 字节码是 JVM 的指令集。JVM 加载字节码格式的 class 文件，校验之后通过 JIT 编译器转换为本地机器代码执行。简单说字节码就是我们编写的 Java 应用程序大厦的每一块砖，如果没有字节码的支撑，大家编写的代码也就没有了用武之地，无法运行。也可以说，Java 字节码就是 JVM 执行的指令格式。

那么我们为什么需要掌握它呢？

不管用什么编程语言，对于卓越而有追求的程序员，都能深入去探索一些技术细节，在需要的时候，可以在代码被执行前解读和理解中间形式的代码。对于 Java 来说，中间代码格式就是 Java 字节码。了解字节码及其工作原理，对于编写高性能代码至关重要，对于深入分析和排查问题也有一定作用，所以我们要想深入了解 JVM 来说，了解字节码也是夯实基础的一项基本功。同时对于我们开发人员来时，不了解平台的底层原理和实现细节，想要职业进阶绝对不是长久之计，毕竟我们都希望成为更好的程序员，对吧？

任何有实际经验的开发者都知道，业务系统总不可能没有 BUG，了解字节码以及 Java 编译器会生成什么样的字节码，才能说具备扎实的 JVM 功底，会在排查问题和分析错误时非常有用，也能更好地解决问题。

而对于工具领域和程序分析来说, 字节码就是必不可少的基础知识了，通过修改字节码来调整程序的行为是司空见惯的事情。想了解分析器(Profiler)，Mock 框架，AOP 等工具和技术这一类工具，则必须完全了解 Java 字节码。

1 Java 字节码简介

有一件有趣的事情，就如名称所示, Java bytecode 由单字节(byte)的指令组成，理论上最多支持 256 个操作码(opcode)。实际上 Java 只使用了 200 左右的操作码，还有一些操作码则保留给调试操作。

操作码，下面称为 指令, 主要由类型前缀和操作名称两部分组成。

例如，'i' 前缀代表 ‘integer’，所以，'iadd' 很容易理解, 表示对整数执行加法运算。

根据指令的性质，主要分为四个大类：

栈操作指令，包括与局部变量交互的指令
程序流程控制指令
对象操作指令，包括方法调用指令
算术运算以及类型转换指令

此外还有一些执行专门任务的指令，比如同步(synchronization)指令，以及抛出异常相关的指令等等。下文会对这些指令进行详细的讲解。

2 获取字节码清单

可以用 javap 工具来获取 class 文件中的指令清单。 javap 是标准 JDK 内置的一款工具, 专门用于反编译 class 文件。

让我们从头开始, 先创建一个简单的类，后面再慢慢扩充。

package demo.jvm1004;

public class HelloByteCode {
    public static void main(String[] args) {
        HelloByteCode obj = new HelloByteCode();
    }
}

代码很简单, main 方法中 new 了一个对象而已。然后我们编译这个类:

javac demo/jvm1004/HelloByteCode.java

使用 javac 编译，或者在 IDEA 或者 Eclipse 等集成开发工具自动编译，基本上是等效的。只要能找到对应的 class 即可。

javac 不指定 -d 参数编译后生成的 .class 文件默认和源代码在同一个目录。

注意: javac 工具默认开启了优化功能, 生成的字节码中没有局部变量表(LocalVariableTable)，相当于局部变量名称被擦除。如果需要这些调试信息, 在编译时请加上 -g 选项。有兴趣的同学可以试试两种方式的区别，并对比结果。

JDK 自带工具的详细用法, 请使用: javac -help 或者 javap -help 来查看; 其他类似。

然后使用 javap 工具来执行反编译, 获取字节码清单：

javap -c demo.jvm1004.HelloByteCode
# 或者: 
javap -c demo/jvm1004/HelloByteCode
javap -c demo/jvm1004/HelloByteCode.class

javap 还是比较聪明的, 使用包名或者相对路径都可以反编译成功, 反编译后的结果如下所示：

Compiled from "HelloByteCode.java"
public class demo.jvm1004.HelloByteCode {
  public demo.jvm1004.HelloByteCode();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #2                  // class demo/jvm1004/HelloByteCode
       3: dup
       4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V
       7: astore_1
       8: return
}

OK，我们成功获取到了字节码清单, 下面进行简单的解读。

3 解读字节码清单

可以看到，反编译后的代码清单中, 有一个默认的构造函数 public demo.jvm1004.HelloByteCode(), 以及 main 方法。

刚学 Java 时我们就知道，如果不定义任何构造函数，就会有一个默认的无参构造函数，这里再次验证了这个知识点。好吧，这比较容易理解！我们通过查看编译后的 class 文件证实了其中存在默认构造函数，所以这是 Java 编译器生成的，而不是运行时JVM自动生成的。

自动生成的构造函数，其方法体应该是空的，但这里看到里面有一些指令。为什么呢？