JVM指令分析实例四（数组、switch）
本篇为《JVM指令分析实例》的第四篇，相关实例均使用Oracle JDK 1.8编译，并使用javap生成字节码指令清单。
前几篇传送门：
数组
一维原始类型数组
void createBuffer() {
int buffer[];
int bufsz = 100;
int value = 12;
buffer = new int[bufsz];
buffer[10] = value;
value = buffer[11];
}
字节码指令序列
void createBuffer()：
0: bipush 100 // 将单字节int常量值100压入栈顶
2: istore_2 // 将栈顶int类型数值100存入第3个局部变量. bufsz = 100
3: bipush 12 // 将单字节int常量值12压入栈顶
5: istore_3 // 将栈顶int类型数值12存入第4个局部变量. value = 12
6: iload_2 // 将第3个int类型局部变量压入栈顶
7: newarray int // 创建int类型数组，并将数组引用值压入栈顶. new int[bufsz]
9: astore_1 // 将栈顶引用类型值存入第2个局部变量. buffer = new int[bufsz]
10: aload_1 // 将第2个引用类型局部变量压入栈顶
11: bipush 10 // 将单字节int常量10压入栈顶
13: iload_3 // 将第4个int类型局部变量压入栈顶
14: iastore // 将栈顶int类型数值存入数组的指定索引位置. buffer[10] = value
15: aload_1 // 将第2个引用类型值压入栈顶
16: bipush 11 // 将单字节int常量值11压入栈顶
18: iaload // 将int类型数组的指定元素压入栈顶
19: istore_3 // 将栈顶int类型数值存入第4个局部变量
20: return
newarray指令
创建一个指定原始类型（如int、float、char等）的数组，并将其引用值压入栈顶。
执行该指令后，将从操作数栈出栈1个参数count，类型为int，表示要创建数组的大小。
iastore指令
从操作数栈读取一个int类型数据并存入指定数组中。
执行该指令后，将从操作数栈出栈3个参数arrayref、index和value，在本例中分别对应于第10、11和13索引位置压入的值。
其中，arrayref是一个引用类型值，指向一个int类型的数组。index和value为int类型，index表示待存入数组位置的索引号，value表示待存入index索引位置的值。
iaload指令
从数组中加载一个int类型数据到操作数栈。
执行该指令后，将从操作数栈出栈2个参数arrayref和index，在本例中分别对应于第15和16索引位置压入的值。
其中，arrayref是一个引用类型值，指向一个int类型的数组。index为int类型，表示待加载数组数据的索引号。
一维引用类型数组
void createThreadArray() {
Thread threads[];
int count = 10;
threads = new Thread[count];
threads[0] = new Thread();
}
字节码指令序列
void createThreadArray()：
0: bipush 10 // 将单字节int类型值10压入栈顶
2: istore_2 // 将栈顶int类型值存入第3个局部变量. count = 10
3: iload_2 // 将第3个int类型局部变量压入栈顶
4: anewarray #15 // class java/lang/Thread. 创建Thread类型数组，并将数组引用值压入栈顶. new Thread[count]
7: astore_1 // 将栈顶引用类型值存入第2个局部变量
8: aload_1 // 将第2个引用类型局部变量压入栈顶
9: iconst_0 // 将int类型常量0压入栈顶
10: new #15 // class java/lang/Thread. 创建Thread对象，并将引用值压入栈顶
13: dup // 复制栈顶值并压入栈顶
14: invokespecial #17 // Method java/lang/Thread."<init>":()V. 调用实例初始化方法
17: aastore // 将栈顶引用类型值存入数组的指定索引位置. threads[0] = new Thread()
18: return
anewarray指令
创建一个引用类型（如类、接口、数组）数组，并将其引用值压入栈顶。可用于创建一维引用数组，或者用于创建多维数组的一部分。
执行该指令后，将从操作数栈出栈1个参数count，类型为int，表示要创建数组的大小。
aastore指令
（aastore指令与iastore指令作用类似）
从操作数栈读取一个引用类型数据并存入指定数组中。
执行该指令后，将从操作数栈出栈3个参数arrayref、index和value，在本例中分别对应于第8、9和10索引位置压入的值。
其中，arrayref是一个引用类型值，指向一个引用类型的数组。index为int类型，index表示待存入数组位置的索引号。value为引用类型，表示待存入index索引位置的值。
在运行时，value的实际类型必须与arrayref所代表的数组的组件类型相匹配。
多维数组
int[][][] create3DArray() {
int grid[][][];
grid = new int[10][5][];
return grid;
}
字节码指令序列
int[][][] create3DArray()：
0: bipush 10 // 将单字节int类型值10压入栈顶. 第1维
2: iconst_5 // 将int类型常量5压入栈顶. 第2维
3: multianewarray #16, 2 // class "[[[I". 创建int[][][]类型数组，并将引用值压入栈顶
7: astore_1 // 将栈顶引用类型值存入第2个局部变量
8: aload_1 // 将第2个引用类型局部变量压入栈顶
9: areturn // 从当前方法返回栈顶引用类型值
multianewarray指令
创建指定类型和指定维度的多维数组（执行该指令时，操作数栈中必须包含各维度的长度值），并将其引用值压入栈顶。可以用于创建所有类型的多维数组。
对于本实例，数组类型为[[[I，即#16对应的常量池中的符号引用。数组维度为2，两个维度的长度值分别为10和5。虽然int[][][]为3维数组，但由于仅指定了前2个维度的长度值，因此指令对应的维度值为2。
如果指定了第3个维度的长度值，那么在iconst_5之后还需要再将1个int类型长度值压入栈。
所有的数组都有一个与之关联的长度属性，可通过arraylength指令访问。
switch语句
编译器会使用tableswitch和lookupswitch指令来生成switch语句的编译代码。
Java虚拟机的tableswitch和lookupswitch指令都只能支持int类型的条件值。
tableswitch指令可以高效地从索引表中确定case语句块的分支偏移量。
当switch语句中的case分支条件值比较稀疏时，tableswitch指令的空间使用率偏低。这种情况下，可以使用lookupswitch指令来代替。
tableswitch指令
int chooseNear(int i) {
switch(i) {
case 0: return 0;
case 1: return 1;
case 2: return 2;
default: return -1;
}
}
字节码指令序列
int chooseNear(int)：
0: iload_1 // 将第2个int类型局部变量压入栈顶
1: tableswitch { // 0 to 2
0: 28 // 如果case条件值为0，则跳转到索引号为28的指令继续执行
1: 30 // 如果case条件值为1，则跳转到索引号为30的指令继续执行
2: 32 // 如果case条件值为2，则跳转到索引号为32的指令继续执行
default: 34 // 否则，则跳转到索引号为34的指令继续执行
}
28: iconst_0 // 将int类型常量0压入栈顶
29: ireturn // 从当前方法返回栈顶int类型数值
30: iconst_1 // 将int类型常量1压入栈顶
31: ireturn // 从当前方法返回栈顶int类型数值
32: iconst_2 // 将int类型常量2压入栈顶
33: ireturn // 从当前方法返回栈顶int类型数值
34: iconst_m1 // 将int类型常量-1压入栈顶
35: ireturn // 从当前方法返回栈顶int类型数值
tableswitch指令
用于switch条件跳转，case值连续（变长指令）。
根据索引值在跳转表中寻找配对的分支并进行跳转。
指令格式：tableswitch padbytes defaultbytes lowbytes highbytes jumptablebytes
- padbytes：0~3个填充字节，以使得defaultbytes与方法起始地址（方法内第一条指令的操作码所在的地址）之间的距离是4的位数。
- defaultbytes：32位默认跳转地址
- lowbytes：32位低值low
- highbytes：32位高值high
- jumptablebytes：(high-low+1)个32位有符号数值形成的一张零基址跳转表（0-based jump table）
由于采用了索引值定位的方式（可理解为数组随机访问），因此只需要检查索引是否越界，非常高效。
下面结合实例分析一下：
第1条指令的索引号为0，tableswitch指令索引号为1，为了使defaultbytes与方法起始地址之间的距离是4的位数，所以defaultbytes的开始索引号为4。
defaultbytes、lowbytes和highbytes分别占4个字节，总共12个字节。
case高低值分别为2和0，因此jumptablebytes占用(2-0+1)*4=12个字节。
由于defaultbytes的开始索引号为4，defaultbytes~jumptablebytes共占用24个字节，因此紧跟在tableswitch后面的下一条指令的索引号为4+24=28，对应于实例中的指令"28: iconst_0"。
这里顺便提一下，一般情况下，普通的操作数占1个字节，指向常量池的索引值占2个字节（ldc的常量池索引占1个字节，ldc_w、ldc2_w的常量池索引占2个字节）。所以，方法的指令索引号之间有时不是连续的。
lookupswitch指令
int chooseFar(int i) {
switch(i) {
case -100: return -1;
case 0: return 0;
case 100: return 1;
default: return -1;
}
}
字节码指令序列
int chooseFar(int)：
0: iload_1
1: lookupswitch { // 3
-100: 36
0: 38
100: 40
default: 42
}
36: iconst_m1
37: ireturn
38: iconst_0
39: ireturn
40: iconst_1
41: ireturn
42: iconst_m1
43: ireturn
lookupswitch指令
用于switch条件跳转，case值不连续（变长指令）。
根据键值（非索引）在跳转表中寻找配对的分支并进行跳转。
指令格式：lookupswitch padbytes defaultbytes npairsbytes matchoffsetbytes
- padbytes：0~3个填充字节，以使得defaultbytes与方法起始地址（方法内第一条指令的操作码所在的地址）之间的距离是4的位数。
- defaultbytes：32位默认跳转地址
- npairsbytes：32位匹配键值对的数量npairs
- matchoffsetbytes：npairs个键值对，每一组键值对都包含了一个int类型值match以及一个有符号32位偏移量offset。
由于case条件值是非连续的，因此无法采用像tableswitch直接定位的方式，必须对每个键值进行比较。然而，JVM规定，lookupswitch的跳转表必须根据键值排序，这样（如采用二分查找）会比线性扫描更有效率。
下面结合实例分析一下：
第1条指令的索引号为0，lookupswitch指令索引号为1，为了使defaultbytes与方法起始地址之间的距离是4的位数，所以defaultbytes的开始索引号为4。
defaultbytes、npairsbytes分别占4个字节，总共8个字节。
case有3个条件，共3个键值对（npairs为3）。由于每个键值对占8个字节（4字节match+4字节offset），因此matchoffsetbytes共占24个字节。
所以，紧跟在lookupswitch后面的下一条指令的索引号为4+8+24=36，对应于实例中的指令"36: iconst_m1"。
参考
《The Java Virtual Machine Specification, Java SE 8 Edition》
《Java虚拟机规范》（Java SE 8版）
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