从反编译的角度浅谈JVM如何执行i++和++i操作

之前对于i++和++i的理解比较浅显。通常，对i++的表述为先赋值再自增，对于++i的表述为先自增再赋值。鉴于在学习JUC的原子变量时，对i++的原子性问题不能完全理解，并且在最近的笔试中，发现其有很多玩法。因此，对于JVM如何执行这两个操作有必要研究一下。对小问题的探究有助于加深对java理解。
注意：以下i均以整型为例！

一、 《疯狂Java讲义》中关于++运算符的描述

《疯狂Java讲义》（第4版）中对于++运算符的描述如下：

++：自加。该运算符有两个要点：1.自加是单目运算符，只能操作一个操作数；2.自加运算符只能操作单个数值型（整型、浮点型都行）的变量，不能操作常量或表达式。运算符既可以出现在操作数的左边，也可以出现在操作数的右边。但出现在左边和右边的效果是不一样的。如果把++放在左边，则先把操作数加1，然后才把操作数放入表达式中运算；如果把++放在右边，则先把操作数放入表达式中运算，然后才把操作数加1。看如下代码：

int a = 5;
// 让a先执行算术运算，然后自加
int b = a++ + 6;
// 输出a的值为6，b的值为11
System.out.println(a + "\n" +b);

执行完后，a的值为6，而b的值为11。当++在操作数右边时，先执行a + 6的运算（此时a的值为5），然后对a加1。对比下面代码：

int a = 5;
// 让a先自加，然后执行算术运算
int b = ++a + 6;
// 输出a的值为6，b的值为12
System.out.println(a + "\n" +b);

执行的结果是a的值为6，b的值为12。当++在操作数左边时，先对a加+，然后执行a + 6的运算（此时a的值为6），因此b为12.

二、 局部变量表和操作数栈

对i的运算是在虚拟机栈中进行的。首先，介绍虚拟机栈中与i的运算有关的两个概念：局部变量表和操作数栈。

局部变量表（Local Variable Table）
在编译程序代码的时候就可以确定栈帧中需要多大的局部变量表，具体大小可在编译后的 Class 文件中看到。局部变量表的容量以 Variable Slot（变量槽）为最小单位，每个变量槽都可以存储 32位长度的内存空间。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程的，如果执行的是实例方法，那局部变量表中第 0位索引的 Slot 默认是用于传递方法所属对象实例的引用（在方法中可以通过关键字 this来访问到这个隐含的参数）。其余参数则按照参数表顺序排列，占用从 1 开始的局部变量 Slot。基本类型数据以及引用和returnAddress（返回地址）占用一个变量槽，long 和 double 需要两个。

操作数栈（Operand Stack）
同样也可以在编译期确定大小。 Frame 被创建时，操作栈是空的。操作栈的每个项可以存放 JVM 的各种类型数据，其中 long 和 double 类型（64位数据）占用两个栈深。 方法执行的过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，也就是出栈和入栈操作（与Java 栈中栈帧操作类似）。操作栈调用其它有返回结果的方法时，会把结果 push 到栈上（通过操作数栈来进行参数传递）。

三、JVM如何执行++运算符

下面通过四个用例介绍jvm是如何执行i++和++i操作的。

1、i = i++；问题

以下面代码为例：

public class AutoIncrement {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 1;
        i = i++;
        System.out.println(i);
    }
}

输出结果为：1。
我们来反编译下，看看JVM是如何执行这段代码的操作的。
反编译结果如下：

从反编译后的结果可以看出，int i = 1;是如下两步操作，即：
0: iconst_1 —— 把常量1压入操作数栈；
1: istore_1 —— 把栈顶元素1存入局部变量表的第一个变量i中；

i = i++;是如下三步操作：
2: iload_1 —— 把第一个变量i的值（即i的值1）压入栈中；
3: iinc 1, 1 —— 第一个变量i的值加1（此时变量i的值为2）；
6: istore_1 —— 把栈顶元素1存入到第一个变量i中（此时变量i的值又为1）。
通过以上不难看出，i = i++;的操作实际上分为三个步骤“读-改-写”（涉及i++的原子性问题），可以理解为：

int temp = i;
i = i + 1;
i = temp;

2、i = i++ + i；问题

以下面代码为例：

public class AutoIncrement {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 1;
        i = i++ + i;
        System.out.println(i);
    }
}

输出结果为：3。
我们来反编译下，看看JVM是如何执行这段代码的操作的。
反编译结果如下：

从反编译后的结果可以看出，i = i++ + i;是如下五步操作：
2: iload_1 —— 把第一个变量i的值（即i的值1）压入栈中；
3: iinc 1, 1 —— 第一个变量i的值加1（此时变量i的值为2）；
6:iload_1 —— 把第一个变量i的值（即i的值2）压入栈。
7: iadd —— 取出栈中的top元素和top-1元素进行相加得3，并将结果压入栈中；
8: istore_1 —— 把栈顶元素3存入到第一个变量i中（此时变量i的值为3）。

3、i = ++i；问题

以下面代码为例：

public class AutoIncrement {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 1;
        i = ++i;
        System.out.println(i);
    }
}

输出结果为：2。
我们来反编译下，看看JVM是如何执行这段代码的操作的。
反编译结果如下：

从反编译后的结果可以看出，i = ++i;是如下三步操作：
2: iinc 1, 1 —— 第一个变量i的值加1（此时变量i的值为2）；
5: iload_1 —— 把第一个变量i的值（即i的值2）压入栈；
6: istore_1 —— 把栈顶元素2存入到第一个变量i中（此时变量i的值为2）。
以上操作可以理解为：

i = i + 1;
int temp = i;
i = temp;

4、i = ++i + i；问题

以下面代码为例：

public class AutoIncrement {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 1;
        i = ++i + i;
        System.out.println(i);
    }
}

输出结果为：4。
我们来反编译下，看看JVM是如何执行这段代码的操作的。
反编译结果如下:

从反编译后的结果可以看出，i = ++i + i;是如下五步操作：
2: iinc 1, 1 —— 第一个变量i的值加1（此时变量i的值为2）；
5: iload_1 —— 把第一个变量的i值（即i的值2）压入栈；
6:iload_1 —— 把第一个变量的i值（即i的值2）压入栈。
7: iadd —— 取出栈中的top元素和top-1元素进行相加得4，并将结果压入栈中；
8: istore_1 —— 把栈顶元素4存入到第一个变量i中（此时变量i的值为4）。

四、总结

通过以上四个用例，我们不难发现，jvm在执行i++时是先将局部变量表中变量i（以i=1为例）的值先压入操作数栈中，然后再将局部变量表中变量i值加1，这时i的值为2。而整个i++用于运算的是已经压入操作数栈中的1，即使用自加前i的值。若i++之后有关于i的运算，如++i + i，再将局部变量表中的变量i（此时i的值为2）压入操作数栈中，即使用自加后i的值。而jvm在执行++i时（同样以i=1为例），是先将局部变量表中的变量i值加1。此时i的值为2。然后再将变量i的值压入操作数栈中。这时整个++i操作用于运算的是已经完成自加1操作的值。若++i之后有关于i的运算，如i++ + i，i同样使用的是已经完成自加的值（i=2）。
通过以上分析，对jvm如何执行++操作有了更深的理解。在今后的工作或笔试中遇到类似i = i++ + i + i、i = i++ + ++i + i等问题都知道如何应对了。

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