【JVM源码解析】模板解释器解释执行Java字节码指令（下）
本文由性能社区首席讲师鸠摩（马智）授权整理发布
第22篇-虚拟机字节码之运算指令
虚拟机规范中与运算相关的字节码指令如下表所示。
0x60
iadd
0x61
ladd
将栈顶两long型数值相加并将结果压入栈顶
0x62
fadd
将栈顶两float型数值相加并将结果压入栈顶
0x63
dadd
将栈顶两型数值相加并将结果压入栈顶
0x64
isub
将栈顶两int型数值相减并将结果压入栈顶
0x65
lsub
将栈顶两long型数值相减并将结果压入栈顶
0x66
fsub
将栈顶两float型数值相减并将结果压入栈顶
0x67
dsub
将栈顶两型数值相减并将结果压入栈顶
0x68
imul
将栈顶两int型数值相乘并将结果压入栈顶
0x69
lmul
将栈顶两long型数值相乘并将结果压入栈顶
0x6a
fmul
将栈顶两float型数值相乘并将结果压入栈顶
0x6b
dmul
将栈顶两型数值相乘并将结果压入栈顶
0x6c
idiv
将栈顶两int型数值相除并将结果压入栈顶
0x6d
ldiv
将栈顶两long型数值相除并将结果压入栈顶
0x6e
fdiv
将栈顶两float型数值相除并将结果压入栈顶
0x6f
ddiv
将栈顶两型数值相除并将结果压入栈顶
0x70
irem
将栈顶两int型数值作取模运算并将结果压入栈顶
0x71
lrem
将栈顶两long型数值作取模运算并将结果压入栈顶
0x72
frem
将栈顶两float型数值作取模运算并将结果压入栈顶
0x73
drem
将栈顶两型数值作取模运算并将结果压入栈顶
0x74
ineg
将栈顶int型数值取负并将结果压入栈顶
0x75
lneg
将栈顶long型数值取负并将结果压入栈顶
0x76
fneg
将栈顶float型数值取负并将结果压入栈顶
0x77
dneg
将栈顶型数值取负并将结果压入栈顶
0x78
ishl
将int型数值左移位指定位数并将结果压入栈顶
0x79
lshl
将long型数值左移位指定位数并将结果压入栈顶
0x7a
ishr
将int型数值右（符号）移位指定位数并将结果压入栈顶
0x7b
lshr
将long型数值右（符号）移位指定位数并将结果压入栈顶
0x7c
iushr
将int型数值右（无符号）移位指定位数并将结果压入栈顶
0x7d
lushr
将long型数值右（无符号）移位指定位数并将结果压入栈顶
0x7e
iand
将栈顶两int型数值作“按位与”并将结果压入栈顶
0x7f
land
将栈顶两long型数值作“按位与”并将结果压入栈顶
0x80
ior
将栈顶两int型数值作“按位或”并将结果压入栈顶
0x81
lor
将栈顶两long型数值作“按位或”并将结果压入栈顶
0x82
ixor
将栈顶两int型数值作“按位异或”并将结果压入栈顶
0x83
lxor
将栈顶两long型数值作“按位异或”并将结果压入栈顶
0x84
iinc
将指定int型变量增加指定值（i++、i–、i+=2）
0x94
lcmp
比较栈顶两long型数值大小，并将结果（1、0或-1）压入栈顶
0x95
fcmpl
比较栈顶两float型数值大小，并将结果（1、0或-1）压入栈顶；当其中一个数值为NaN时，将-1压入栈顶
0x96
fcmpg
比较栈顶两float型数值大小，并将结果（1、0或-1）压入栈顶；当其中一个数值为NaN时，将1压入栈顶
0x97
dcmpl
比较栈顶两型数值大小，并将结果（1、0或-1）压入栈顶；当其中一个数值为NaN时，将-1压入栈顶
0x98
dcmpg
比较栈顶两型数值大小，并将结果（1、0或-1）压入栈顶；当其中一个数值为NaN时，将1压入栈顶
1、基本加、减、乘与除指令
1、iadd指令
iadd指令将两个栈顶的整数相加，然后将相加的结果压入栈顶，其指令的格式如下：
iadd val1,val2
val1与val2表示两个int类型的整数，在指令执行时，将val1与val3从操作数栈中出栈,将这两个数值相加得到 int 类型数据 ，将压入操作数栈中。
iadd指令的模板定义如下：
def(Bytecodes::_iadd , ____|____|____|____, itos, itos, iop2 , add);
生成函数为::iop2()，实现如下：
void TemplateTable::iop2(Operation op) {switch (op) {case add : __ pop_i(rdx); __ addl (rax, rdx); break;case sub : __ movl(rdx, rax); __ pop_i(rax); __ subl (rax, rdx); break;case mul : __ pop_i(rdx); __ imull(rax, rdx); break;case _and : __ pop_i(rdx); __ andl (rax, rdx); break;case _or : __ pop_i(rdx); __ orl (rax, rdx); break;case _xor : __ pop_i(rdx); __ xorl (rax, rdx); break;case shl : __ movl(rcx, rax); __ pop_i(rax); __ shll (rax); break;case shr : __ movl(rcx, rax); __ pop_i(rax); __ sarl (rax); break;case ushr : __ movl(rcx, rax); __ pop_i(rax); __ shrl (rax); break;default : ShouldNotReachHere();}
}
可以看到，这个函数是许多指令的生成函数，如iadd、isub、imul、iand、ior、ixor、ishl、ishr、iushr。
为iadd指令生成的汇编代码如下：
mov (%rsp),%edx
add $0x8,%rsp
add %edx,%eax
将栈顶与栈顶中缓存的%eax相加后的结果存储到%eax中。
2、isub指令
isub指令生成的汇编代码如下：
mov %eax,%edx
mov (%rsp),%eax
add $0x8,%rsp
sub %edx,%eax
代码实现比较简单，这里不再介绍。
3、idiv指令
idiv是字节码除法指令，这个指令的格式如下：
idiv val1,val2
val1 和 val2 都必须为 int 类型数据，指令执行时，val1 和 val2从操作数栈中出栈，并且将这两个数值相除（val1÷val2），结果转换为 int 类型值 ，最后 被压入到操作数栈中。
idiv指令的模板定义如下：
def(Bytecodes::_idiv , ____|____|____|____, itos, itos, idiv , _ );
调用的生成函数为::idiv()，生成的汇编如下：
0x00007fffe1019707: mov %eax,%ecx
0x00007fffe1019709: mov (%rsp),%eax
0x00007fffe101970c: add $0x8,%rsp// 测试一下被除数是否为0x80000000，如果不是，就跳转到normal_case
0x00007fffe1019710: cmp $0x80000000,%eax
0x00007fffe1019716: jne 0x00007fffe1019727// 被除数是0x80000000，而除数如果是-1的话，则跳转到special_case
0x00007fffe101971c: xor %edx,%edx
0x00007fffe101971e: cmp $0xffffffff,%ecx
0x00007fffe1019721: je 0x00007fffe101972a// -- normal_case --// cltd将eax寄存器中的数据符号扩展到edx:eax，具体就是
// 把eax的32位整数扩展为64位，高32位用eax的符号位填充保存到edx
0x00007fffe1019727: cltd
0x00007fffe1019728: idiv %ecx// -- special_case --
其中idiv函数会使用规定的寄存器，如下图所示。
汇编对 / -1 这个特殊的除法做了检查。参考：利用反汇编调试与补码解释 / -1整形输出异常不一致
2、比较指令
lcmp指令比较栈顶两long型数值大小，并将结果（1、0或-1）压入栈顶。指令的格式如下：
lcmp val1,val2
val1 和 val2 都必须为 long 类型数据，指令执行时， val1 和 val2从操作数栈中出栈，使用一个 int 数值作为比较结果：
最后比较结果被压入到操作数栈中。
lcmp字节码指令的模板定义如下：
def(Bytecodes::_lcmp , ____|____|____|____, ltos, itos, lcmp , _ );
生成函数为::lcmp()， 生成的汇编如下：
0x00007fffe101a6c8: mov (%rsp),%rdx
0x00007fffe101a6cc: add $0x10,%rsp// cmp指令描述如下：
// 第1操作数<第2操作数时，ZF=0
// 第1操作数=第2操作数时，ZF=1
// 第1操作数>第2操作数时，ZF=0
0x00007fffe101a6d0: cmp %rax,%rdx
0x00007fffe101a6d3: mov $0xffffffff,%eax // 将-1移到%eax中// 如果第1操作数小于第2操作数就跳转到done
0x00007fffe101a6d8: jl 0x00007fffe101a6e0// cmp指令执行后，执行setne指令就能获取比较的结果
// 根据eflags中的状态标志（CF,SF,OF,ZF和PF）将目标操作数设置为0或1
0x00007fffe101a6da: setne %al
0x00007fffe101a6dd: movzbl %al,%eax// -- done --
如上汇编代码的逻辑非常简单，这里不再介绍。
关于其它字节码指令的逻辑也相对简单，有兴趣的可自行研究。
第23篇-虚拟机字节码指令之类型转换
Java虚拟机规范中定义的类型转换相关的字节码指令如下表所示。
0x85
i2l
将栈顶int型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶
0x86
i2f
将栈顶int型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶
0x87
i2d
将栈顶int型数值强制转换成型数值并将结果压入栈顶
0x88
l2i
将栈顶long型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶
0x89
l2f
将栈顶long型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶
0x8a
l2d
将栈顶long型数值强制转换成型数值并将结果压入栈顶
0x8b
f2i
将栈顶float型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶
0x8c
f2l
将栈顶float型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶
0x8d
f2d
将栈顶float型数值强制转换成型数值并将结果压入栈顶
0x8e
d2i
将栈顶型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶
0x8f
d2l
将栈顶型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶
0x90
d2f
将栈顶型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶
0x91
i2b
将栈顶int型数值强制转换成byte型数值并将结果压入栈顶
0x92
i2c
将栈顶int型数值强制转换成char型数值并将结果压入栈顶
0x93
i2s
将栈顶int型数值强制转换成short型数值并将结果压入栈顶
上表字节码指令的模板定义如下：
def(Bytecodes::_i2l , ____|____|____|____, itos, ltos, convert , _ );
def(Bytecodes::_i2f , ____|____|____|____, itos, ftos, convert , _ );
def(Bytecodes::_i2d , ____|____|____|____, itos, dtos, convert , _ );
def(Bytecodes::_l2i , ____|____|____|____, ltos, itos, convert , _ );
def(Bytecodes::_l2f , ____|____|____|____, ltos, ftos, convert , _ );
def(Bytecodes::_l2d , ____|____|____|____, ltos, dtos, convert , _ );
def(Bytecodes::_f2i , ____|____|____|____, ftos, itos, convert , _ );
def(Bytecodes::_f2l , ____|____|____|____, ftos, ltos, convert , _ );
def(Bytecodes::_f2d , ____|____|____|____, ftos, dtos, convert , _ );
def(Bytecodes::_d2i , ____|____|____|____, dtos, itos, convert , _ );
def(Bytecodes::_d2l , ____|____|____|____, dtos, ltos, convert , _ );
def(Bytecodes::_d2f , ____|____|____|____, dtos, ftos, convert , _ );
def(Bytecodes::_i2b , ____|____|____|____, itos, itos, convert , _ );
def(Bytecodes::_i2c , ____|____|____|____, itos, itos, convert , _ );
def(Bytecodes::_i2s , ____|____|____|____, itos, itos, convert , _ );
相关字节码转换指令的生成函数为::()，此函数的实现如下：
void TemplateTable::convert() {static const int64_t is_nan = 0x8000000000000000L;// Conversionswitch (bytecode()) {case Bytecodes::_i2l:__ movslq(rax, rax);break;case Bytecodes::_i2f:__ cvtsi2ssl(xmm0, rax);break;case Bytecodes::_i2d:__ cvtsi2sdl(xmm0, rax);break;case Bytecodes::_i2b:__ movsbl(rax, rax);break;case Bytecodes::_i2c:__ movzwl(rax, rax);break;case Bytecodes::_i2s:__ movswl(rax, rax);break;case Bytecodes::_l2i:__ movl(rax, rax);break;case Bytecodes::_l2f:__ cvtsi2ssq(xmm0, rax);break;case Bytecodes::_l2d:__ cvtsi2sdq(xmm0, rax);break;case Bytecodes::_f2i:{Label L;__ cvttss2sil(rax, xmm0);__ cmpl(rax, 0x80000000); // NaN or overflow/underflow?__ jcc(Assembler::notEqual, L);__ call_VM_leaf(CAST_FROM_FN_PTR(address, SharedRuntime::f2i), 1);__ bind(L);}break;case Bytecodes::_f2l:{Label L;__ cvttss2siq(rax, xmm0);// NaN or overflow/underflow?__ cmp64(rax, ExternalAddress((address) &is_nan));__ jc
