摘要：有點基礎(chǔ)的人一定都知道，命令會將源文件編譯成字節(jié)碼文件，即文件，其中就包含了大量的字節(jié)碼指令。關(guān)于字節(jié)碼指令的分類，可以從兩個維度進(jìn)行一是指令的功能，二是指令操作的數(shù)據(jù)類型。

隨著Java開發(fā)技術(shù)不斷被推到新的高度，對于Java程序員來講越來越需要具備對更深入的基礎(chǔ)性技術(shù)的理解，比如Java字節(jié)碼指令。不然，可能很難深入理解一些時下的新框架、新技術(shù)，盲目一味追新也會越來越感乏力。

本文既不求照本宣科，亦不求炫技或著文立說，僅力圖以最簡明、最形象生動的方式，結(jié)合例子與實戰(zhàn)，讓小白也能搞懂這門看似復(fù)雜的技術(shù)概念。

閑言碎語不要講，先表一表，什么是Java字節(jié)碼指令？簡而言之，Java字節(jié)碼指令就是Java虛擬機(jī)能夠聽得懂、可執(zhí)行的指令，可以說是Jvm層面的匯編語言，或者說是Java代碼的最小執(zhí)行單元。
有點Java基礎(chǔ)的人一定都知道，javac命令會將Java源文件編譯成字節(jié)碼文件，即.class文件，其中就包含了大量的字節(jié)碼指令。因此可以將javac命令理解為一個翻譯命令，將源文件翻譯成Jvm可以執(zhí)行的指令。
那么最直觀的探究方法莫過于直接對比翻譯前后的內(nèi)容。
具體如何對比呢？就不得不用到Java為我們一直默默提供的一項利器，javap命令，它可以解析字節(jié)碼，將字節(jié)碼內(nèi)部邏輯以可讀的方式呈現(xiàn)出來。為了緊貼實戰(zhàn)，我們直接在新建的Java工程里，寫這樣一個UserServiceImpl類，里面包含幾個由簡單到復(fù)雜的方法，以及一個名為serviceType的屬性：

如圖，以上方法，復(fù)雜度由低到高依次為：getServiceType下面我們編譯工程，然后在下圖所示的目錄(gradle編譯工程)找到該類的字節(jié)碼文件：

cd到這個路徑下，運(yùn)行javap命令：

javap -v -p UserServiceImpl

就可以觀看到翻譯版的Java字節(jié)碼的胴體了！這里的-v意思是啰嗦模式，會輸出全面的字節(jié)碼信息，而-p是指涵蓋所有成員。原字節(jié)碼信息輸出內(nèi)容較多，基于本文的目標(biāo)，取其一方法的內(nèi)容，整理如下圖：
方法1，getServiceType()：

這個getServiceType的方法應(yīng)該是再簡單不過的Java代碼，翻譯成字節(jié)碼后也變成了三行，我們先來簡單推理一下：第一句，aload_0不知所云，索性略過；第二行，getfield應(yīng)該可以讀懂，后面這個#8似乎是他的參數(shù)（實際上是對常量池的引用），//后面注釋的內(nèi)容是javap給我們加上的，意思應(yīng)該是#2的指向是"Field serviceType:Ljava/lang/String;"這個內(nèi)容。
所以getfield這一行就是取出serviceType這個字段嘍，so easy。areturn肯定就是return的意思，a的含義也先略過不表?？傊褪侨〕鰏erviceType字段然后return嘍。

那么現(xiàn)在的問題就是aload_0是什么意思了，看似多余，但仔細(xì)思考一下，似乎之前給getfield指令傳入了“Field serviceType:Ljava/lang/String;”這樣一個并不完整的參數(shù)，其后半部分的“Ljava/lang/String;”僅僅表示這個serviceType字段的類型是String，也就是說，整個參數(shù)里沒有說是取的誰的serviceType字段??！究竟是get誰的feild呢？

由此可以想到：aload操作一定是在為getfield指令準(zhǔn)備了一個主體。

實際上，再結(jié)合下面的局部變量表，aload_0中的0正是局部變量表里的Slot 0的含義。意思是將局部變量表里的Slot 0的東西壓入操作數(shù)棧，這個Slot 0里的東西name正是this，也就是UserServiceImpl的實例，即getfield的主體。

好了，對于小白同學(xué)有些陌生的概念來了，啥是操作數(shù)棧？啥是局部變量表？
其實這兩個東西理解好了，關(guān)于虛擬機(jī)指令就懂了一大半了。
那么，不妨刪繁就簡，由易入難，先講一個這樣的故事，故事起名叫：

Java方法之創(chuàng)世紀(jì)

話說Jvm大帝是神之旨意的履行者（Jvm大帝就是虛擬機(jī)，神就是開發(fā)者，神之旨意是開發(fā)者寫好并編譯后的字節(jié)碼...），當(dāng)Jvm大帝帶領(lǐng)Java世界運(yùn)行進(jìn)入了一個新的方法后，會為這個方法在棧內(nèi)存大陸上創(chuàng)造兩個重要的領(lǐng)域：局部變量表和操作數(shù)棧。

要有棧。要有表。神說。

依照神之旨意，jvm大帝創(chuàng)造的局部變量表里一般會包含this指針（針對實例方法，靜態(tài)方法當(dāng)然無此）、方法的所有傳入?yún)?shù)和方法中所開辟的本地變量。

那么操作數(shù)棧是干嘛用的呢？

我們再引入另外一個比喻，如果把運(yùn)行Java方法理解為拍戲，那么局部變量表里的各個局部變量就是這部戲的核心主角，或者說領(lǐng)銜主演，而操作數(shù)棧正是這部戲的舞臺。所謂操作數(shù)棧搭臺，局部變量唱戲，是也。那么aload_0就是告訴Jvm導(dǎo)演（大帝已淪落為導(dǎo)演），請0號演員this同志登臺（壓棧），演后邊的本子。
當(dāng)然了，這個比喻并不完全恰當(dāng)，因為操作數(shù)棧并不是“舞臺”的結(jié)構(gòu)，而是棧的結(jié)構(gòu)。但是這個比喻可以很好地說明局部變量表和操作數(shù)棧之間的關(guān)系，以及aload_0的作用。

下面我們用一張圖來演示一下getServiceType這個小劇本橋段所導(dǎo)演的故事：

好吧這部劇雖然短的可憐，但已經(jīng)基本把指令、操作數(shù)棧和局部變量表三者的關(guān)系演繹了出來。
值得注意的是，getfield這條指令對操作數(shù)棧進(jìn)行了復(fù)合操作，其流程可以示意如下圖：

后面我們將要接觸到的許多指令都如此，指令內(nèi)部執(zhí)行了彈出—>處理—>壓回的流程。
下面我們就來分析一個相對復(fù)雜一點的方法，setServiceType(String)，如下圖：

這里我們看到，變化主要有，指令多了一行，多進(jìn)行了一次aload，getfield變成了putfield，areturn變成了return，僅此而已。另外領(lǐng)銜主演也就是局部變量表里多了一位，也就是方法的傳入?yún)?shù)serviceType字符串對象了。其情節(jié)如下：

這里，putfield只彈出棧內(nèi)的操作數(shù)，而沒有向操作數(shù)棧壓回任何數(shù)據(jù)，而且執(zhí)行putfield之前，棧內(nèi)元素的位置也必須符合“值在上，主體在下”要求。
而最后的return僅表示方法結(jié)束，而不會像areturn一樣返回棧頂元素。這也印證了setServiceType(String)方法沒有返回參數(shù)。

相信有了以上的講解，大家對指令、操作數(shù)棧、局部變量表三者的運(yùn)作關(guān)系有了一定認(rèn)識，為了后邊能夠分析更復(fù)雜的方法，這里必須概括性地講解一下更多的Java字節(jié)碼指令。雖然Java字節(jié)碼指令非常多，但其實常用的不外乎幾個類別，先從這幾個常用類別入手理解，便可漸入佳境。
關(guān)于字節(jié)碼指令的分類，可以從兩個維度進(jìn)行：一是指令的功能，二是指令操作的數(shù)據(jù)類型。我們先從功能說起，指令主要可以分為如下幾類：

存儲和加載類指令：主要包括load系列指令、store系列指令和ldc、push系列指令，主要用于在局部變量表、操作數(shù)棧和常量池三者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度；（關(guān)于常量池前面沒有特別講解，這個也很簡單，顧名思義，就是這個池子里放著各種常量，好比片場的道具庫）

對象操作指令（創(chuàng)建與讀寫訪問）：比如我們剛剛的putfield和getfield就屬于讀寫訪問的指令，此外還有putstatic/getstatic，還有new系列指令，以及instanceof等指令。

操作數(shù)棧管理指令：如pop和dup，他們只對操作數(shù)棧進(jìn)行操作。

類型轉(zhuǎn)換指令和運(yùn)算指令：如add/div/l2i等系列指令，實際上這類指令一般也只對操作數(shù)棧進(jìn)行操作。

控制跳轉(zhuǎn)指令：這類里包含常用的if系列指令以及goto類指令。

方法調(diào)用和返回指令：主要包括invoke系列指令和return系列指令。這類指令也意味這一個方法空間的開辟和結(jié)束，即invoke會喚醒一個新的java方法小宇宙（新的棧和局部變量表），而return則意味著這個宇宙的結(jié)束回收。

如下圖，展示了各類指令的作用：

再從另外一個維度，即指令操作的數(shù)據(jù)類型來講：指令開頭或尾部的一些字母，就往往表明了它所能操作的數(shù)據(jù)類型：

a對應(yīng)對象，表示指令操作對象性數(shù)據(jù)，比如aload和astore、areturn等等。
i對應(yīng)整形。也就有iload，istore等i系列指令。
f對應(yīng)浮點型。
l對應(yīng)long，b對應(yīng)byte，d對應(yīng)double，c對應(yīng)char。
另外地，ia對應(yīng)int array，aa對應(yīng)object array，da對應(yīng)double array。不在一一贅述。

了解了以上內(nèi)容，我們再去看最后幾個方法，應(yīng)該就會容易理解很多了。
下面我們就直搗黃龍genToken這個方法(圖中的顏色暗示了指令和方法調(diào)用之間的關(guān)系)：

這個過程簡單解讀如下：
1.new一個StringBuilder對象（在堆內(nèi)存中開辟空間），并將其引用入棧，用于實現(xiàn)加號連接字符串功能（相當(dāng)于C++中的運(yùn)算符重載）；
2.dup復(fù)制棧頂?shù)膭倓偡湃氲囊茫俅螇簵?，這時棧里有兩個重復(fù)的內(nèi)容，深度為2；
3.調(diào)用并彈出棧頂StringBuilder引用對象的方法，棧深度為1；
4.（綠色部分）調(diào)用UUID.randomUUID()靜態(tài)方法，結(jié)果壓棧后彈出調(diào)用String的toString方法，再壓棧，棧深度為2；
5.（黃色部分）將"-"和""字符壓棧，此時棧深度為4，彈出（棧頂3個元素）調(diào)用replace方法，結(jié)果壓棧，深度為2；
6.調(diào)用StringBuilder對象的append方法，結(jié)果壓棧，深度為1；
7.（藍(lán)色部分）將參數(shù)user壓棧并調(diào)用hashCode方法，結(jié)果壓棧，深度為2；
8.調(diào)用StringBuilder對象的append方法（此處和上面的append調(diào)用共同完成了加號功能，在圖中為紅色部分），結(jié)果壓棧，深度為1，再調(diào)用toString方法后結(jié)果壓棧，深度為1；
9.areturn返回棧頂對象。

再看這個包含if跳轉(zhuǎn)的方法login：

如上圖，圖中已經(jīng)說明的比較全面了，不再贅述。值得一提的是，Java的這種基于棧結(jié)構(gòu)的指令，在設(shè)計上有一種非常簡潔的美感，指令與指令之間并沒有較重的依賴，每條指令僅僅與操作數(shù)棧等領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生關(guān)系，充滿著某種平衡與秩序感。因此也必須注意，幾乎每條指令的運(yùn)行都有其前提，比如在invokevirtual或invokespecial指令執(zhí)行前，必須保證操作數(shù)棧內(nèi)提前按順序壓入好所需的操作數(shù)，否則就會發(fā)生問題。
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關(guān)于實戰(zhàn)，一是可以學(xué)習(xí)使用強(qiáng)大開源工具ASM.jar；二是，可以參考本人的另一篇文章：Java字節(jié)碼修改神器HiBeaver：黑掉你的SDK以及一次Android字節(jié)碼插樁實戰(zhàn)，利用hibeaver這個助手，開發(fā)者可以非常靈活地對字節(jié)碼進(jìn)行修改，插入指令，hook代碼，甚至建立一些簡單的AOP框架，對于Java字節(jié)碼學(xué)習(xí)大有裨益。
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祝玩的愉快！
本文如有不妥之處，歡迎交流指正。

另外，本文為了盡可能地簡明生動、直入核心，簡化了很多概念和細(xì)節(jié)，讀者須知實際情況的更為復(fù)雜。但相信在理解了本文以后，就可以抓住Java字節(jié)碼指令的核心理念，也就算扣開虛擬機(jī)學(xué)習(xí)的大門并可以開始讀書精進(jìn)了。下面盜圖一張（后有出處），可作拓展：

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