Core API之Method结构Execution modelBytecode instructionsExamples

    在编译后class内部，method的代码以字节码指令序列的方式存储。为了生成和转换class，最基本的是知道这些指令、了解它们如何工作。

Execution model

    Java代码在线程内被执行。每个线程有自己的执行栈，它由frame组成。每个frame代表了一个方法调用：每个时间一个方法被调用，新frame被压入当前线程的执行栈，当方法正常返回或有异常，这个frame被弹出栈且继续执行。
   每个frame有两部分：本地变量和操作栈 。本地变量可以通过index随机访问，操作栈被字节码指令操作。即意味着此栈中的值只能以LIFO顺序访问。
本地变量和操作栈的大小依赖于method code。它在编译时间就被计算且随字节码指令一起存春在class中。所有frame的大小都一样，但不同方法对应的frame的本地变量和操作栈的大小不一样。
   上图展示了一个执行栈有三个frame，第一个frame有3个本地变量，它的操作栈大小为4，有量个值。当一个frame被创建后，它被初始化为空操作栈，它的本地变量初始化为目标对象this，和方法参数。例如调用a.equals(b)，创建一个空操作栈，前两个本地变量初始为a和b，其他的本地变量没有初始化。
    在本地变量和操作栈中的slot可以容纳任何java值，除了long和double值之外。这些值需要两个slot。例如调用Math.max(1L,2L)，创建一个frame，1L占用第一、第二个slot，2L占用第三、第四个slot。

Bytecode instructions

    一个字节码指定由操作码和固定数值的参数组成。

    1) opcode：无符号byte。字节码名称，通过记忆性字符标记。例如opcode值0用NOP来标记，表示指定不做任何事情。 

    2)arguments：定义指定精确行为的静态值。它们在opcode之后给出。例如GOTO label指令，它的opcode值是167，接受一个参数lable。lable表示下一个指令要执行的地方。指令参数和指定操作数不能混淆。参数值是静态的，存储在编译好的代码中，而操作值来自于操作栈，它们仅在运行时才直到。

    字节码指令可以被分为两类：一小类，从本地变量到操作栈的值传输。另外一类指令仅在操作栈上执行，它们从栈中弹出值，计算结果，压回栈。ILOAD，LLOAD，FLOAD，ALOAD指令读取本地变量，将值压入操作栈。它们接受本地变量的Index作为参数。ILOAD用来加载boolean，byte、char、short、int本地变量。LLOAD，FLOAD和DLOAD各自用来加载long、float、double值(LLOAD和DLOAD实际上加载i和i+1两个slot)。ALOAD用来加载非基本类型值，如object数组引用。类似ISTORE,LSTORE,FSTORE,DSTORE和ASTORE指令从操作栈弹出值并存储到本地变量index中。

    xload和xstore指令都是有类型的，确保没有非法的转换。在方法执行过程中存储在本地变量中的值能发生变化。所有其他字节码指令仅在操作栈上工作。它们可以被归为以下几类：
    stack：这些指令用来操作操作栈上的值。POP，栈顶元素出栈。DUP，压入栈顶元素的拷贝。SWAP，出栈2元素，且以相反的顺序入栈。
    Constant：将常量值压入到栈顶。ACONST_NULL压入null，ICONST_0压入0，FCONST_0压入0f，DCONST_0压入0d。BIPUSH b将字节值b压入栈。SIPUSH s 将short类型 s压入栈。LDC压入二进制int、float、long、double，string或class常量。
    Arithmetic and logic(算术和逻辑运算)：这些指令将数值从操作栈出栈，接着运算并见结果压入栈。它们不包含任何参数。xADD,xSUB,xMUL,xDIV和xREM对应响应的+,-,*,/,%运算，这里的x要么是I,L,F,D。类似，这里有其他指令对应<<,>>,>>>,|,&和^。
    Casts：该指令从栈弹出值，转换为另外一个类型，并将结果压入栈。它对应Java中的转换表达式。I2F，F2D，L2D。CHECKCAST t转换一个引用到另一个类型t。
    Object：该指令用来创建对象、锁定它们、测试它们的类型。例如 NEW type指令将一个新的对象压入栈
    Fields：该指令读取或写filed的值。GETFIELD owner name desc 指令从栈中弹出对象引用，并压入name field的值。PUTFIELD owner name desc弹出一个值和对象引用，储存值到name域上。上述例子中，object必须是 owner类型，它的filed必须是desc类型。GETSTATIC和PUTSTATIC针对静态域。
    Method：这些指令调用方法或构造器。当方法有参数时，它们pop多个value，另外，一个值为target对象，且将方法调用的返回值压入栈。INVOKEVIRTUAL owner name desc调用方法owner类中方法名为name的方法，其中整个方法描述为desc。INVOKESTATIC用来调用静态方法。INVOKESPECIAL调用私有方法和是有构造器。INVOKEINTERFACE调用接口中定义的方法。
    Arrays：该指令用来读取和写如数组中的值。xALOAD指令pop一个index和一个数组并且将index处的array值压入栈。xASTORE指令pop一个值、index和value和数组，并且在数组中index位置存储这个值。x可以是I,L,F,D,A也可以是B，C和S。
    Jumps：如果某条件为真，该指令跳转到二进制指令。它们用于编译if，for，do，while，break和continue指令。例如，IFEQ label pop一个int，如果value为0，跳转到指令lable。还有许多其他jump指令，如IFNE，IFGE。TABLESWITCH和lookupswitch对应Java的switch指令。
    Return：xReturn和Return指令用来终止方法执行且返回结果到调用者。Return对应void，xReturn对应其他方法返回类型。

Examples

package pkg;
public class Bean {
    private int f;
    public int getF() {
        return this.f;
    }
    public void setF(int f) {
        this.f = f;
    }
}

get方法的字节码是：

ALOAD 0
GETFIELD pkg/Bean f I
IRETURN

    第一个指令读取index为0本地变量，该值在get方法调用创建frame时初始化给this对象，且将这个值压入操作栈。第二个指令从栈弹出值(例如this)，且压入该对象的f 数据域 ，最后一个指令弹出这个值 且返回 给调用者。
set方法的字节码：

ALOAD 0
ILOAD 1
PUTFIELD pkg/Bean f I
RETURN

    第一个指令将第一个本地变量this压入操作栈。第二指令将index=1本地变量压入栈，该变量在set方法的frame被创建时，使用参数f的值初始化。第三个指令弹出这些值，且在this对象的f field上存储int值。最后一条指令，销毁当前执行frame，且返回给调用者。
bean class幽默人的public构造函数：

Bean(){
    super();
}

构造函数字节码：

ALOAD 0
INVOKESPECIAL java/lang/Object <init> ()V
RETURN

    第一条指令将index=0本地变量this压入操作栈。第二条指令弹出值，调用Object的<init>方法。第三条指令返回调用者
更复杂的set方法：

public void checkAndSetF(int f) {
    if (f >= 0) {
        this.f = f;
    } else {
        throw new IllegalArgumentException();
    }
}

对应的字节码：

ILOAD 1
IFLT label
ALOAD 0
ILOAD 1
PUTFIELD pkg/Bean f I
GOTO end
label:
NEW java/lang/IllegalArgumentException
DUP
INVOKESPECIAL java/lang/IllegalArgumentException <init> ()V
ATHROW
end:
RETURN

    第一条指令将index=1的本地变量入栈，初始化到f。IFLT指令将值从栈中弹出，并且将它与0比较，如果less than(LT)0，跳转到Lable label。否则do nothing且执行下一条指令。紧接着三条指令与setF方法中的指令相同。GOTO指令无条件跳转到END lable。lable与end之间的指令创建异常并抛出异常。NEW指令创建异常对象并压入操作栈。DUP指令复制在栈顶的值。INVOKESPECIAL指令弹出两分拷贝中的一个，并它的异常构造函数。最后athrow指令弹出剩下的拷贝，抛出异常。

最后

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