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Java位元組碼

Java 位元組碼（英語：Java bytecode）是Java虛擬機器執行的一種指令格式。大多數操作碼（英語：Opcode）都是一個位元組長，而有些操作需要參數，導致了有一些多位元組的操作碼。而且並不是所有可能的256個操作碼都被使用；其中有51個操作碼被保留做將來使用。除此之外，原始Java平台開發商，昇陽微系統，額外保留了3個代碼永久不使用。

與Java的關係

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一個Java程式設計師並不需要理解所有的Java位元組碼。但是，就像IBM developerWorks周刊建議的那樣：「理解位元組碼以及理解Java編譯器如何生成Java位元組碼與學習組譯知識對於C/C++程式設計師有一樣的意義。」[1]

指令

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指令碼為一個位元組，有256個可能的代碼值（28=256），因此一個位元組的指令碼最多可能有256種不同的操作。其中，0x00、0xFE、0xCA、0xFF被指定保留。例如0xCA作為一個Java除錯器的中斷指令而從未被語言使用。相似地，0xFE和0xFF也未被語言使用[2]。

指令可以基本分為以下幾類：

  • 儲存指令 （例如：aload_0，istore）
  • 算術與邏輯指令 （例如: ladd，fcmpl）
  • 類型轉換指令 （例如：i2b，d2i）
  • 對象建立與操作指令 （例如：new，putfield）
  • 堆疊操作指令 （例如：swap，dup2）
  • 控制轉移指令 （例如：ifeq，goto）
  • 方法呼叫與返回指令 （例如：invokespecial，areturn)

除此之外，還有一些更特殊的指令，作為異常丟擲或同步等作用。

大多數的指令有字首和（或）字尾來表明其運算元的類型。如下表

前/字尾 運算元類型
i 整數
l 長整數
s 短整數
b 位元組
c 字元
f 單精度浮點數
d 雙精度浮點數
z 布林值
a 參照

例如，"iadd"指令將兩個整數相加；而"dadd"指令將兩個double浮點數相加。

"const"、 "load"、 "store"等涉及儲存命令還會使用"_n"字尾，其中 "load"和"store"命令中的n可以為0到3之間的整數；而"const"命令中的n由類型指定。"const"指令把一個指定類型的值放入堆疊。例如"iconst_5"指令將一個整數5放入堆疊；而"dconst_1"將一個雙精度浮點數1放入堆疊。"aconst_null"指令是放入一個null進堆疊。而對於"load" "store"指令中的n，指定了變數表中的儲存位置。"aload_0"指令把在變數0中的對象（通常是"this"對象）放入堆疊，"istore_1"指令把棧頂的一個整數放入變數1。對於更高的變數，字尾將被去除，而這條指令將需要運算元。

計算模型

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Java位元組碼的計算模型是堆疊導向結構電腦的。例如，一個x86處理器的組譯代碼如下 

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

這段代碼將兩個數值相加，並存入另一個位址。相似的反組譯位元組碼如下 

0 iload_1
1 iload_2
2 iadd
3 istore_3

在這裡，需要相加的兩個運算元被放入堆疊，而相加操作就在棧中進行，其結果也被放入堆疊。儲存指令之後把棧頂的資料放入一個變數位址。在每條指令前面的數字僅僅是表示這條指令到方法開始處的偏移值。這種堆疊結構也可以推廣到物件導向模型上。例如，有一個"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

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考慮如下Java代碼 

  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);
  }

假設上述代碼位於一個函式中，Java編譯器可能將代碼翻譯成下述的Java位元組碼。 

  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

基於Java位元組碼的語言

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最常用的基於Java位元組碼的語言就是開發出Java位元組碼的Java語言。剛開始，只存在一個由昇陽微系統開發的一個編譯器javac。而現在Java位元組碼規範已經可以得到，因此，第三方公司亦開發出支援Java位元組碼的編譯器。例如：

  • Jikes，編譯Java原始碼到Java位元組碼（由IBM開發，用C++實現）
  • Espresso，編譯Java原始碼到Java位元組碼（僅支援Java 1.0）
  • GCJ，GNU Compiler for Java，編譯Java代碼到Java位元組碼；亦可以編譯到機器碼。作為GNU Compiler Collection (GCC)的一部分提供。

有一些專案提供Java組譯器以便於直接用Java位元組碼進行開發。主要的Java組譯器如下：

  • Jasmin，讀取Java類別的文字描述；用一種簡單的使用Java虛擬機器指令的類組譯語法，輸出Java類別檔案 [3]
  • Jamaica， 一種為Java虛擬機器編寫的宏組合語言。其中，類與介面由Java語法定義，而其中的方法卻由Java位元組碼定義。[4]

還有其他的一些編譯器，對於其他語言生成Java位元組碼，使其可以執行在Java虛擬機器之上。

執行

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當前已經有很多種Java虛擬機器產品，包括了自由軟體和商業軟體。 如果在Java虛擬機器之中執行Java位元組碼並不理想，則可以使用一些工具例如GNU Compiler for Java將Java代碼或Java位元組碼編譯成機器碼並由硬體直接執行。 而有一些處理器可以直接執行Java位元組碼，這種處理器名為Java處理器。

對動態語言的支援

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Java虛擬機器對動態型別語言提供了一定的支援。但絕大多數的Java虛擬機器指令集是基於靜態型別語言的。在靜態型別機制下，方法呼叫中的類型分析都是在編譯時執行的，而且缺乏一種機制在執行時確定一個類型已經確定相應的方法。

JSR292[5]中，在Java虛擬機器層次增加了一種支援動態型別的指令invokedynamic，以支援在動態型別檢測中的方法呼叫。 達文西機器（英語：Da Vinci Machine）則是一種支援這種動態型別呼叫的虛擬機器。 而所有支援JSE 7的Java虛擬機器都應支援invokedynamic操作碼。

參考文獻

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  1. ^ Understanding bytecode makes you a better programmer. [2014-01-28]. （原始內容存檔於2008-12-08）. 
  2. ^ 存档副本. [2014-01-28]. （原始內容存檔於2013-02-21）. 
  3. ^ Jasmin Home Page. [2020-06-21]. （原始內容存檔於2020-04-17）. 
  4. ^ Jamaica: The Java Virtual Machine (JVM) Macro Assembler. [2014-01-28]. （原始內容存檔於2012-06-24）. 
  5. ^ see JSR 292. [2014-01-28]. （原始內容存檔於2020-12-20）. 
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