Java 虛擬機(jī)的指令由一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的、代表著某種特定操作含義的操作碼（Opcode）以及跟隨其后的零至多個(gè)代表此操作所需參數(shù)的操作數(shù)（Operands）所構(gòu)成。虛擬機(jī)中許多指令并不包含操作數(shù)，只有一個(gè)操作碼。

如果忽略異常處理，那 Java 虛擬機(jī)的解釋器使用下面這個(gè)偽代碼的循環(huán)即可有效地工作：

操作數(shù)的數(shù)量以及長(zhǎng)度取決于操作碼，如果一個(gè)操作數(shù)的長(zhǎng)度超過(guò)了一個(gè)字節(jié)，那它將會(huì)以 Big-Endian 順序存儲(chǔ)——即高位在前的字節(jié)序。舉個(gè)例子，如果要將一個(gè) 16 位長(zhǎng)度的無(wú)符號(hào)整數(shù)使用兩個(gè)無(wú)符號(hào)字節(jié)存儲(chǔ)起來(lái)（將它們命名為 byte1 和 byte2），那它們的值應(yīng)該是這樣的：

字節(jié)碼指令流應(yīng)當(dāng)都是單字節(jié)對(duì)齊的，只有“tableswitch”和“l(fā)ookupswitch”兩條指令例外，由于它們的操作數(shù)比較特殊，都是以 4 字節(jié)為界劃分開(kāi)的，所以這兩條指令那個(gè)也需要預(yù)留出相應(yīng)的空位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)齊。

限制 Java 虛擬機(jī)操作碼的長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)，并且放棄了編譯后代碼的參數(shù)長(zhǎng)度對(duì)齊，是為了盡可能地獲得短小精干的編譯代碼，即使這可能會(huì)讓 Java 虛擬機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)付出一定的性能成本為代價(jià)。由于每個(gè)操作碼只能有一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，所以直接限制了整個(gè)指令集的數(shù)量 （字節(jié)碼無(wú)法超過(guò) 256 條的限制就來(lái)源于此） ，又由于沒(méi)有假設(shè)數(shù)據(jù)是對(duì)齊好的，這就意味著虛擬機(jī)處理那些超過(guò)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)的時(shí)候，不得不在運(yùn)行時(shí)從字節(jié)中重建出具體數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，這在某種程度上會(huì)損失一些性能。

數(shù)據(jù)類型與Java虛擬機(jī)

在 Java 虛擬機(jī)的指令集中，大多數(shù)的指令都包含了其操作所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型信息。舉個(gè)例子，iload 指令用于從局部變量表中加載 int 型的數(shù)據(jù)到操作數(shù)棧中，而 fload 指令加載的則是 float 類型的數(shù)據(jù)。這兩條指令的操作可能會(huì)是由同一段代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但它們必須擁有各自獨(dú)立的操作符。

對(duì)于大部分為與數(shù)據(jù)類型相關(guān)的字節(jié)碼指令，他們的操作碼助記符中都有特殊的字符來(lái)表明專門為哪種數(shù)據(jù)類型服務(wù)：i 代表對(duì) int 類型的數(shù)據(jù)操作，l 代表 long，s 代表 short，b 代表 byte，c 代表 char，f 代表 float，d 代表 double，a 代表 reference。也有一些指令的助記符中沒(méi)有明確的指明操作類型的字母，例如 arraylength 指令，它沒(méi)有代表數(shù)據(jù)類型的特殊字符，但操作數(shù)永遠(yuǎn)只能是一個(gè)數(shù)組類型的對(duì)象。還有另外一些指令，例如無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令 goto 則是與數(shù)據(jù)類型無(wú)關(guān)的。

由于 Java 虛擬機(jī)的操作碼長(zhǎng)度只有一個(gè)字節(jié)，所以包含了數(shù)據(jù)類型的操作碼對(duì)指令集的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的壓力：如果每一種與數(shù)據(jù)類型相關(guān)的指令都支持 Java 虛擬機(jī)所有運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)類型的話，那恐怕就會(huì)超出一個(gè)字節(jié)所能表示的數(shù)量范圍了。因此，Java 虛擬機(jī)的指令集對(duì)于特定的操作只提供了有限的類型相關(guān)指令去支持它，換句話說(shuō)，指令集將會(huì)故意被設(shè)計(jì)成非完全獨(dú)立的（Not Orthogonal，即并非每種數(shù)據(jù)類型和每一種操作都有對(duì)應(yīng)的指令）。有一些單獨(dú)的指令可以在必要的時(shí)候用來(lái)將一些不支持的類型轉(zhuǎn)換為可被支持的類型。

下表列舉了 Java 虛擬機(jī)所支持的字節(jié)碼指令集，通過(guò)使用數(shù)據(jù)類型列所代表的特殊字符替換 opcode 列的指令模板中的 T，就可以得到一個(gè)具體的字節(jié)碼指令。如果在表中指令模板與數(shù)據(jù)類型兩列共同確定的格為空，則說(shuō)明虛擬機(jī)不支持對(duì)這種數(shù)據(jù)類型執(zhí)行這項(xiàng)操作。例如 load 指令有操作 int 類型的 iload，但是沒(méi)有操作 byte 類型的同類指令。

請(qǐng)注意，從下表中看來(lái)，大部分的指令都沒(méi)有支持整數(shù)類型 byte、char 和 short，甚至沒(méi)有任何指令支持 boolean 類型。編譯器會(huì)在編譯期或運(yùn)行期會(huì)將 byte 和 short 類型的數(shù)據(jù)帶符號(hào)擴(kuò)展（Sign-Extend）為相應(yīng)的 int 類型數(shù)據(jù)，將 boolean 和 char 類型數(shù)據(jù)零位擴(kuò)展（Zero-Extend）為相應(yīng)的 int 類型數(shù)據(jù)。與之類似的，在處理 boolean、byte、short 和 char 類型的數(shù)組時(shí)，也會(huì)轉(zhuǎn)換為使用對(duì)應(yīng)的 int 類型的字節(jié)碼指令來(lái)處理。因此，大多數(shù)對(duì)于 boolean、byte、short 和 char 類型數(shù)據(jù)的操作，實(shí)際上都是使用相應(yīng)的對(duì) int 類型作為運(yùn)算類型（Computational Type）。

Java 虛擬機(jī)指令集所支持的數(shù)據(jù)類型：

在 Java 虛擬機(jī)中，實(shí)際類型與運(yùn)算類型之間的映射關(guān)系，如下表所示：

有部分對(duì)操作棧進(jìn)行操作的 Java 虛擬機(jī)指令（例如 pop 和 swap 指令）是與具體類型無(wú)關(guān)的，不過(guò)這些指令也必須受到運(yùn)算類型分類的限制，這些分類也在表中列出了。

加載和存儲(chǔ)指令

加載和存儲(chǔ)指令用于將數(shù)據(jù)從棧幀的局部變量表和操作數(shù)棧之間來(lái)回傳輸：

訪問(wèn)對(duì)象的字段或數(shù)組元素的指令也同樣會(huì)與操作數(shù)棧傳輸數(shù)據(jù)。

上面所列舉的指令助記符中，有一部分是以尖括號(hào)結(jié)尾的（例如 iload_），這些指令助記符實(shí)際上是代表了一組指令（例如 iload_，它代表了 iload_0、iload_1、iload_2 和 iload_3 這幾條指令）。這幾組指令都是某個(gè)帶有一個(gè)操作數(shù)的通用指令（例如 iload）的特殊形式，對(duì)于這若干組特殊指令來(lái)說(shuō)，它們表面上沒(méi)有操作數(shù)，不需要進(jìn)行取操作數(shù)的動(dòng)作，但操作數(shù)都是在指令中隱含的。除此之外，他們的語(yǔ)義與原生的通用指令完全一致（例如 iload_0 的語(yǔ)義與操作數(shù)為 0 時(shí)的 iload 指令語(yǔ)義完全一致）。在尖括號(hào)之間的字母制定了指令隱含操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型，代表是 int 形數(shù)據(jù)，代表 long 型，代表 float 型，代表 double型。在操作 byte、char 和 short 類型數(shù)據(jù)時(shí)，也用 int 類型表示。

這種指令表示方法，在整個(gè)《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》之中都是通用的。

運(yùn)算指令

算術(shù)指令用于對(duì)兩個(gè)操作數(shù)棧上的值進(jìn)行某種特定運(yùn)算，并把結(jié)果重新存入到操作棧頂。大體上運(yùn)算指令可以分為兩種：對(duì)整型數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的指令與對(duì)浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的指令，無(wú)論是那種算術(shù)指令，都是使用 Java 虛擬機(jī)的數(shù)字類型的。數(shù)據(jù)沒(méi)有直接支持 byte、short、char 和 boolean 類型（§2.11.1）的算術(shù)指令，對(duì)于這些數(shù)據(jù)的運(yùn)算，都是使用操作 int 類型的指令。

整數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)的算術(shù)指令在溢出和被零除的時(shí)候也有各自不同的行為，所有的算術(shù)指令包括：

Java 虛擬機(jī)的指令集直接支持了在《Java 語(yǔ)言規(guī)范》中描述的各種對(duì)整數(shù)及浮點(diǎn)數(shù)操作的語(yǔ)義。

Java 虛擬機(jī)沒(méi)有明確規(guī)定整型數(shù)據(jù)溢出的情況，但是規(guī)定了在處理整型數(shù)據(jù)時(shí)，只有除法指令（idiv 和 ldiv）以及求余指令（irem 和 lrem）出現(xiàn)除數(shù)為零時(shí)會(huì)導(dǎo)致虛擬機(jī)拋出異常，如果發(fā)生了這種情況，虛擬機(jī)將會(huì)拋出 ArithmeitcException 異常。

Java 虛擬機(jī)在處理浮點(diǎn)數(shù)時(shí)，必須遵循 IEEE 754 規(guī)范中所規(guī)定行為限制。也就是說(shuō) Java虛擬機(jī)要求完全支持 IEEE 754 中定義的非正規(guī)浮點(diǎn)數(shù)值（Denormalized Floating-Point Numbers，§2.3.2）和逐級(jí)下溢（Gradual Underflow）。這些特征將會(huì)使得某些數(shù)值算法處理起來(lái)變得更容易一些。

Java 虛擬機(jī)要求在進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算時(shí)，所有的運(yùn)算結(jié)果都必須舍入到適當(dāng)?shù)倪M(jìn)度，非精確的結(jié)果必須舍入為可被表示的最接近的精確值，如果有兩種可表示的形式與該值一樣接近，那將優(yōu)先選擇最低有效位為零的。這種舍入模式也是 IEEE 754 規(guī)范中的默認(rèn)舍入模式，稱為向最接近數(shù)舍入模式。

在把浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)時(shí)，Java 虛擬機(jī)使用 IEEE 754 標(biāo)準(zhǔn)中的向零舍入模式，這種模式的舍入結(jié)果會(huì)導(dǎo)致數(shù)字被截?cái)?，所有小?shù)部分的有效字節(jié)都會(huì)被丟棄掉。向零舍入模式將在目標(biāo)數(shù)值類型中選擇一個(gè)最接近，但是不大于原值的數(shù)字來(lái)作為最精確的舍入結(jié)果。

Java 虛擬機(jī)在處理浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算時(shí)，不會(huì)拋出任何運(yùn)行時(shí)異常（這里所講的是 Java 的異常，請(qǐng)勿與 IEEE 754 規(guī)范中的浮點(diǎn)異?；ハ嗷煜?，當(dāng)一個(gè)操作產(chǎn)生溢出時(shí)，將會(huì)使用有符號(hào)的無(wú)窮大來(lái)表示，如果某個(gè)操作結(jié)果沒(méi)有明確的數(shù)學(xué)定義的話，將會(huì)時(shí)候 NaN 值來(lái)表示。所有使用 NaN 值作為操作數(shù)的算術(shù)操作，結(jié)果都會(huì)返回 NaN。

在對(duì) long 類型數(shù)值進(jìn)行比較時(shí)，虛擬機(jī)采用帶符號(hào)的比較方式，而對(duì)浮點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行比較時(shí)（dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl），虛擬機(jī)采用 IEEE 754 規(guī)范說(shuō)定義的無(wú)信號(hào)比較（Nonsignaling Comparisons）方式。

類型轉(zhuǎn)換指令

類型轉(zhuǎn)換指令可以將兩種 Java 虛擬機(jī)數(shù)值類型進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，這些轉(zhuǎn)換操作一般用于實(shí)現(xiàn)用戶代碼的顯式類型轉(zhuǎn)換操作，或者用來(lái)處理 Java 虛擬機(jī)字節(jié)碼指令集中指令非完全獨(dú)立獨(dú)立的問(wèn)題。

Java 虛擬機(jī)直接支持（注：“直接支持”意味著轉(zhuǎn)換時(shí)無(wú)需顯式的轉(zhuǎn)換指令）以下數(shù)值的寬化類型轉(zhuǎn)換（Widening Numeric Conversions，小范圍類型向大范圍類型的安全轉(zhuǎn)換）：

窄化類型轉(zhuǎn)換（Narrowing Numeric Conversions）指令包括有：i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l 和 d2f。窄化類型轉(zhuǎn)換可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生不同的正負(fù)號(hào)、不同的數(shù)量級(jí)，轉(zhuǎn)換過(guò)程很可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)值丟失精度。

在將 int 或 long 類型窄化轉(zhuǎn)換為整數(shù)類型 T 的時(shí)候，轉(zhuǎn)換過(guò)程僅僅是簡(jiǎn)單的丟棄除最低位N 個(gè)字節(jié)以外的內(nèi)容，N 是類型 T 的數(shù)據(jù)類型長(zhǎng)度，這將可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入值有不同的正負(fù)號(hào)（注：在高位字節(jié)符號(hào)位被丟棄了）。

在將一個(gè)浮點(diǎn)值轉(zhuǎn)窄化轉(zhuǎn)換為整數(shù)類型 T（T 限于 int 或 long 類型之一）的時(shí)候，將遵循以下轉(zhuǎn)換規(guī)則：

如果浮點(diǎn)值是 NaN，那轉(zhuǎn)換結(jié)果就是 int 或 long 類型的 0
否則，如果浮點(diǎn)值不是無(wú)窮大的話，浮點(diǎn)值使用 IEEE 754 的向零舍入模式（§2.8.1）
取整，獲得整數(shù)值 v，這時(shí)候可能有兩種情況：

從 double 類型到 float 類型做窄化轉(zhuǎn)換的過(guò)程與 IEEE 754 中定義的一致，通過(guò) IEEE 754向最接近數(shù)舍入模式（§2.8.1）舍入得到一個(gè)可以使用 float 類型表示的數(shù)字。如果轉(zhuǎn)換結(jié)果的絕對(duì)值太小無(wú)法使用 float 來(lái)表示的話，將返回 float 類型的正負(fù)零。如果轉(zhuǎn)換結(jié)果的絕對(duì)值太大無(wú)法使用 float 來(lái)表示的話，將返回 float 類型的正負(fù)無(wú)窮大，對(duì)于 double 類型的 NaN值將就規(guī)定轉(zhuǎn)換為 float 類型的 NaN 值。

盡管可能發(fā)生上限溢出、下限溢出和精度丟失等情況，但是 Java 虛擬機(jī)中數(shù)值類型的窄化轉(zhuǎn)換永遠(yuǎn)不可能導(dǎo)致虛擬機(jī)拋出運(yùn)行時(shí)異常（此處的異常是指《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》中定義的異常，請(qǐng)讀者不要與 IEEE 754 中定義的浮點(diǎn)異常信號(hào)產(chǎn)生混淆）。

對(duì)象創(chuàng)建與操作

雖然類實(shí)例和數(shù)組都是對(duì)象，但 Java 虛擬機(jī)對(duì)類實(shí)例和數(shù)組的創(chuàng)建與操作使用了不同的字節(jié)碼指令：

1、創(chuàng)建類實(shí)例的指令：new

2、創(chuàng)建數(shù)組的指令：newarray，anewarray，multianewarray

3、訪問(wèn)類字段（static 字段，或者稱為類變量）和實(shí)例字段（非 static 字段，或者成為實(shí)例變量）的指令：getfield、putfield、getstatic、putstatic

4、把一個(gè)數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧的指令：baload、caload、saload、iaload、laload、faload、daload、aaload

5、將一個(gè)操作數(shù)棧的值儲(chǔ)存到數(shù)組元素中的指令：bastore、castore、sastore、iastore、fastore、dastore、aastore

6、取數(shù)組長(zhǎng)度的指令：arraylength

7、檢查類實(shí)例類型的指令：instanceof、checkcas

操作數(shù)棧管理指令

Java 虛擬機(jī)提供了一些用于直接操作操作數(shù)棧的指令，包括：pop、pop2、dup、dup2、dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2 和 swap。

控制轉(zhuǎn)移指令

控制轉(zhuǎn)移指令可以讓 Java 虛擬機(jī)有條件或無(wú)條件地從指定指令而不是控制轉(zhuǎn)移指令的下一條指令繼續(xù)執(zhí)行程序。控制轉(zhuǎn)移指令包括有：

1、條件分支：ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt, if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq 和 if_acmpne。

2、復(fù)合條件分支：tableswitch、lookupswitch

3、無(wú)條件分支：goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret

在 Java 虛擬機(jī)中有專門的指令集用來(lái)處理 int 和 reference 類型的條件分支比較操作，為了可以無(wú)需明顯標(biāo)識(shí)一個(gè)實(shí)體值是否 null，也有專門的指令用來(lái)檢測(cè) null 值。

boolean 類型、byte 類型、char 類型和 short 類型的條件分支比較操作，都使用 int 類型的比較指令來(lái)完成，而對(duì)于 long 類型、float 類型和 double 類型的條件分支比較操作，則會(huì)先執(zhí)行相應(yīng)類型的比較運(yùn)算指令，運(yùn)算指令會(huì)返回一個(gè)整形值到操作數(shù)棧中，隨后再執(zhí)行 int 類型的條件分支比較操作來(lái)完成整個(gè)分支跳轉(zhuǎn)。由于各種類型的比較最終都會(huì)轉(zhuǎn)化為 int 類型的比較操作，基于 int 類型比較的這種重要性，Java 虛擬機(jī)提供了非常豐富的 int類型的條件分支指令。

所有 int 類型的條件分支轉(zhuǎn)移指令進(jìn)行的都是有符號(hào)的比較操作。

方法調(diào)用和返回指令

以下四條指令用于方法調(diào)用：

1、invokevirtual 指令用于調(diào)用對(duì)象的實(shí)例方法，根據(jù)對(duì)象的實(shí)際類型進(jìn)行分派（虛方法分派），這也是 Java 語(yǔ)言中最常見(jiàn)的方法分派方式。

2、invokeinterface 指令用于調(diào)用接口方法，它會(huì)在運(yùn)行時(shí)搜索一個(gè)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口方法的對(duì)象，找出適合的方法進(jìn)行調(diào)用。

3、invokespecial 指令用于調(diào)用一些需要特殊處理的實(shí)例方法，包括實(shí)例初始化方法、私有方法和父類方法。

4、invokestatic 指令用于調(diào)用類方法（static 方法）。

而方法返回指令則是根據(jù)返回值的類型區(qū)分的，包括有 ireturn（當(dāng)返回值是 boolean、byte、char、short 和 int 類型時(shí)使用）、lreturn、freturn、dreturn 和 areturn，另外還有一條 return 指令供聲明為 void 的方法、實(shí)例初始化方法、類和接口的類初始化方法使用。

拋出異常

在程序中顯式拋出異常的操作會(huì)由 athrow 指令實(shí)現(xiàn)，除了這種情況，還有別的異常會(huì)在其它 Java 虛擬機(jī)指令檢測(cè)到異常狀況時(shí)由虛擬機(jī)自動(dòng)拋出。

同步

Java 虛擬機(jī)可以支持方法級(jí)的同步和方法內(nèi)部一段指令序列的同步，這兩種同步結(jié)構(gòu)都是使用管程（Monitor）來(lái)支持的。

方法級(jí)的同步是隱式，即無(wú)需通過(guò)字節(jié)碼指令來(lái)控制的，它實(shí)現(xiàn)在方法調(diào)用和返回操作之中。虛擬機(jī)可以從方法常量池中的方法表結(jié)構(gòu)（method_info Structure）中的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問(wèn)標(biāo)志區(qū)分一個(gè)方法是否同步方法。當(dāng)方法調(diào)用時(shí)，調(diào)用指令將會(huì)檢查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問(wèn)標(biāo)志是否被設(shè)置，如果設(shè)置了，執(zhí)行線程將先持有管程，然后再執(zhí)行方法，最后再方法完成（無(wú)論是正常完成還是非正常完成）時(shí)釋放管程。在方法執(zhí)行期間，執(zhí)行線程持有了管程，其他任何線程都無(wú)法再獲得同一個(gè)管程。如果一個(gè)同步方法執(zhí)行期間拋出了異常，并且在方法內(nèi)部無(wú)法處理此異常，那這個(gè)同步方法所持有的管程將在異常拋到同步方法之外時(shí)自動(dòng)釋放。

同步一段指令集序列通常是由 Java 語(yǔ)言中的 synchronized 塊來(lái)表示的，Java 虛擬機(jī)的指令集中有 monitorenter 和 monitorexit 兩條指令來(lái)支持 synchronized 關(guān)鍵字的語(yǔ)義，正確實(shí)現(xiàn) synchronized 關(guān)鍵字需要編譯器與 Java 虛擬機(jī)兩者協(xié)作支持。

結(jié)構(gòu)化鎖定（Structured Locking）是指在方法調(diào)用期間每一個(gè)管程退出都與前面的管程進(jìn)入相匹配的情形。因?yàn)闊o(wú)法保證所有提交給 Java 虛擬機(jī)執(zhí)行的代碼都滿足結(jié)構(gòu)化鎖定，所以 Java 虛擬機(jī)允許（但不強(qiáng)制要求）通過(guò)以下兩條規(guī)則來(lái)保證結(jié)構(gòu)化鎖定成立。假設(shè) T 代表一條線程，M 代表一個(gè)管程的話：

1、T 在方法執(zhí)行時(shí)持有管程 M 的次數(shù)必須與 T 在方法完成（包括正常和非正常完成）時(shí)釋放管程 M 的次數(shù)相等。

2、找方法調(diào)用過(guò)程中，任何時(shí)刻都不會(huì)出現(xiàn)線程 T 釋放管程 M 的次數(shù)比 T 持有管程 M 次數(shù)多的情況。

請(qǐng)注意，在同步方法調(diào)用時(shí)自動(dòng)持有和釋放管程的過(guò)程也被認(rèn)為是在方法調(diào)用期間發(fā)生。