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ClassFile 对方法的约束

从 ClassFile 的角度来说，它对于方法接收的参数数量、方法体的大小做了约束。

方法参数的数量（255）

在一个方法当中，方法接收的参数最多有 255 个。我们分成三种情况来进行说明：

  • 第一种情况，对于 non-static 方法来说，this 也要占用 1 个参数位置，因此接收的参数最多有 254 个参数。
  • 第二种情况，对于 static 方法来说，不需要存储 this 变量，因此接收的参数最多有 255 个参数。
  • 第三种情况，不管是 non-static 方法，还是 static 方法，long 类型或 double 类型占据 2 个参数位置，所以实际的参数数量要小于 255。
public class HelloWorld {
    public void test(int a, int b) {
        // do nothing
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 1; i <= 255; i++) {
            String item = String.format("int val%d,", i);
            System.out.println(item);
        }
    }
}
  • 问题：能否在文档中找到依据呢？
  • 回答：能。

在Java Virtual Machine Specification的4.11. Limitations of the Java Virtual Machine部分对方法参数的数量进行了限制：

The number of method parameters is limited to 255 by the definition of a method descriptor, where the limit includes one unit for this in the case of instance or interface method invocations.

方法体的大小（65535）

对于方法来说，方法体并不是想写多少代码就写多少代码，它的大小也有一个限制：方法体内最多包含 65535 个字节。

当方法体的代码超过 65535 字节（bytes）时，会出现编译错误：code too large。

  • 问题：能否在文档中找到依据呢？
  • 回答：能。

在Java Virtual Machine Specification的4.7.3. The Code Attribute部分定义了 Code 属性：

Code_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 max_stack;
    u2 max_locals;
    u4 code_length;
    u1 code[code_length];
    u2 exception_table_length;
    {   u2 start_pc;
        u2 end_pc;
        u2 handler_pc;
        u2 catch_type;
    } exception_table[exception_table_length];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}
  • code_length: The value of the code_length item gives the number of bytes in the code array for this method. The value of code_length must be greater than zero (as the code array must not be empty) and less than 65536.

Instruction VS. Opcode

严格的来说，instruction 和 opcode 这两个概念是有区别的。 相对来说，instruction 是一个比较大的概念，而 opcode 是一个比较小的概念：

instruction = opcode + operands
  • 问题：能否在文档中找到依据呢？
  • 回答：能。

A Java Virtual Machine instruction consists of a one-byte opcode specifying the operation to be performed, followed by zero or more operands supplying arguments or data that are used by the operation. Many instructions have no operands and consist only of an opcode. （本段内容来自于2.11. Instruction Set Summary的第一段）

粗略的来说，在现实生活当中谈论技术问题，我们经常混用 instruction 和 opcode 这两个概念，不作区分，可以将两者当成一回事儿。

Opcodes

一个字节的容量（256）

opcode 占用空间的大小为 1 byte。在 1 byte 中，包含 8 个 bit，因此 1 byte 最多可以表示 256 个值（即 0~255）。

opcode 的数量（205）

虽然一个字节（byte)当中可以存储 256 个值（即 0~255），但是在 Java 8 这个版本中定义的 opcode 数量只有 205 个。 因此，opcode 的内容就是一个“数值”，位于 0~255 之间。

opcode 和 mnemonic symbol

要记住每个 opcode 对应数值的含义，是非常困难的。 为了方便人们记忆 opcode 的作用，就给每个 opcode 起了一个名字，叫作 mnemonic symbol（助记符号）。

opcode mnemonic symbol opcode mnemonic symbol opcode mnemonic symbol opcode mnemonic symbol
0 nop 64 lstore_1 128 ior 192 checkcast
1 aconst_null 65 lstore_2 129 lor 193 instanceof
2 iconst_m1 66 lstore_3 130 ixor 194 monitorenter
3 iconst_0 67 fstore_0 131 lxor 195 monitorexit
4 iconst_1 68 fstore_1 132 iinc 196 wide
5 iconst_2 69 fstore_2 133 i2l 197 multianewarray
6 iconst_3 70 fstore_3 134 i2f 198 ifnull
7 iconst_4 71 dstore_0 135 i2d 199 ifnonnull
8 iconst_5 72 dstore_1 136 l2i 200 goto_w
9 lconst_0 73 dstore_2 137 l2f 201 jsr_w
10 lconst_1 74 dstore_3 138 l2d 202 breakpoint
11 fconst_0 75 astore_0 139 f2i 203  
12 fconst_1 76 astore_1 140 f2l 204  
13 fconst_2 77 astore_2 141 f2d 205  
14 dconst_0 78 astore_3 142 d2i 206  
15 dconst_1 79 iastore 143 d2l 207  
16 bipush 80 lastore 144 d2f 208  
17 sipush 81 fastore 145 i2b 209  
18 ldc 82 dastore 146 i2c 210  
19 ldc_w 83 aastore 147 i2s 211  
20 ldc2_w 84 bastore 148 lcmp 212  
21 iload 85 castore 149 fcmpl 213  
22 lload 86 sastore 150 fcmpg 214  
23 fload 87 pop 151 dcmpl 215  
24 dload 88 pop2 152 dcmpg 216  
25 aload 89 dup 153 ifeq 217  
26 iload_0 90 dup_x1 154 ifne 218  
27 iload_1 91 dup_x2 155 iflt 219  
28 iload_2 92 dup2 156 ifge 220  
29 iload_3 93 dup2_x1 157 ifgt 221  
30 lload_0 94 dup2_x2 158 ifle 222  
31 lload_1 95 swap 159 if_icmpeq 223  
32 lload_2 96 iadd 160 if_icmpne 224  
33 lload_3 97 ladd 161 if_icmplt 225  
34 fload_0 98 fadd 162 if_icmpge 226  
35 fload_1 99 dadd 163 if_icmpgt 227  
36 fload_2 100 isub 164 if_icmple 228  
37 fload_3 101 lsub 165 if_acmpeq 229  
38 dload_0 102 fsub 166 if_acmpne 230  
39 dload_1 103 dsub 167 goto 231  
40 dload_2 104 imul 168 jsr 232  
41 dload_3 105 lmul 169 ret 233  
42 aload_0 106 fmul 170 tableswitch 234  
43 aload_1 107 dmul 171 lookupswitch 235  
44 aload_2 108 idiv 172 ireturn 236  
45 aload_3 109 ldiv 173 lreturn 237  
46 iaload 110 fdiv 174 freturn 238  
47 laload 111 ddiv 175 dreturn 239  
48 faload 112 irem 176 areturn 240  
49 daload 113 lrem 177 return 241  
50 aaload 114 frem 178 getstatic 242  
51 baload 115 drem 179 putstatic 243  
52 caload 116 ineg 180 getfield 244  
53 saload 117 lneg 181 putfield 245  
54 istore 118 fneg 182 invokevirtual 246  
55 lstore 119 dneg 183 invokespecial 247  
56 fstore 120 ishl 184 invokestatic 248  
57 dstore 121 lshl 185 invokeinterface 249  
58 astore 122 ishr 186 invokedynamic 250  
59 istore_0 123 lshr 187 new 251  
60 istore_1 124 iushr 188 newarray 252  
61 istore_2 125 lushr 189 anewarray 253  
62 istore_3 126 iand 190 arraylength 254 impdep1
63 lstore_0 127 land 191 athrow 255 impdep2

在上面表格当中，大家如果对任何一个 opcode 或 mnemonic symbol 感兴趣， 都可以参阅Chapter 6. The Java Virtual Machine Instruction Set。

mnemonic symbol 和类型信息

对于大多数的 opcode，它的 mnemonic symbol 名字当中带有类型信息（type information）。 一般情况下，规律如下：

  • i 表示 int 类型
  • l 表示 long 类型。
  • s 表示 short 类型
  • b 表示 byte 类型
  • c 表示 char 类型
  • f 表示 float 类型
  • d 表示 double 类型。
  • a 表示 reference 类型。a 可能是 address 的首字母，表示指向内存空间的一个地址信息。

有一些 opcode，它的 mnemonic symbol 名字不带有类型信息（type information），但是可以操作多种类型的数据，例如：

  • arraylength，无论是 int[] 类型的数组，还是 String[] 类型的数组，获取数组的长度都是使用 arraylength。
  • ldc、ldc_w 和 ldc2_w 表示load constant 的缩写，可以加载各种常量值。
  • 与 stack 相关的指令，可以操作多种数据类型。pop 表示出栈操作，dup 相关的指令是 duplicate 单词的缩写，表示“复制”操作；swap 表示“交换”。

还有一些 opcode，它的 mnemonic symbol 名字不带有类型信息（type information），它也不处理任何类型的数据。例如：

  • goto

  • 问题：能否在文档中找到依据呢？
  • 回答：能。

For the majority of typed instructions, the instruction type is represented explicitly in the opcode mnemonic by a letter: i for an int operation, l for long, s for short, b for byte, c for char, f for float, d for double, and a for reference. Some instructions for which the type is unambiguous do not have a type letter in their mnemonic. For instance, arraylength always operates on an object that is an array. Some instructions, such as goto, an unconditional control transfer, do not operate on typed operands. （本段内容来自于2.11.1. Types and the Java Virtual Machine的第二段）

Opcode 学习方式

学习新事物，一般有两种学习体验：

  • 第一种，经过短期刻苦努力，然后突然明白一个知识点，给人一种如获至宝的感觉。
  • 第二种，经过长期坚持探索，大的知识点要学习，小的知识点也不舍弃，慢慢积累，最后达到水滴石穿的效果。

学习这些 opcode，也是一个缓慢的过程，就是平时一点一点的学习、慢慢积累的过程。

推荐的学习方式：

  • 第一步，打好基础。例如，Stack Frame 的结构、进入方法时的 Stack Frame 的初始状态、long 和 double 类型的占用空间的大小等。
  • 第二步，以“使用”为导向，有选择性的、跳跃式的学习。当用到这个 opcode 了，如果不了解它，那我们再去学习它；不要一味贪多，想全部学下来。

在后续内容当中，我们会将 205 个 opcode 分成不同的类别进行介绍，大家根据自己的兴趣有选择性的学习就可以了。

总结

本文内容总结如下：

  • 第一点，在 ClassFile 结构中，对于方法接收的参数和方法体的大小是有数量限制的。
  • 第二点，instruction = opcode + operands
  • 第三点，opcode 占用 1 个 byte 大小，目前定义了 205 个；为了方便记忆，JVM 文档为 opcode 提供了名字（即 mnemonic symbol），大多数的名字中带有类型信息。
  • 第四点，学习 opcode 是一个长期积累的过程，不能一蹴而就。所以，推荐大家依据感兴趣的内容，进行有选择性的学习。