第21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。
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0x60 |
iadd |
将栈顶两int型数值相加并将结果压入栈顶 |
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0x61 |
ladd |
将栈顶两long型数值相加并将结果压入栈顶 |
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0x62 |
fadd |
将栈顶两float型数值相加并将结果压入栈顶 |
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0x63 |
dadd |
将栈顶两double型数值相加并将结果压入栈顶 |
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0x64 |
isub |
将栈顶两int型数值相减并将结果压入栈顶 |
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0x65 |
lsub |
将栈顶两long型数值相减并将结果压入栈顶 |
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0x66 |
fsub |
将栈顶两float型数值相减并将结果压入栈顶 |
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0x67 |
dsub |
将栈顶两double型数值相减并将结果压入栈顶 |
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0x68 |
imul |
将栈顶两int型数值相乘并将结果压入栈顶 |
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0x69 |
lmul |
将栈顶两long型数值相乘并将结果压入栈顶 |
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0x6a |
fmul |
将栈顶两float型数值相乘并将结果压入栈顶 |
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0x6b |
dmul |
将栈顶两double型数值相乘并将结果压入栈顶 |
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0x6c |
idiv |
将栈顶两int型数值相除并将结果压入栈顶 |
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0x6d |
ldiv |
将栈顶两long型数值相除并将结果压入栈顶 |
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0x6e |
fdiv |
将栈顶两float型数值相除并将结果压入栈顶 |
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0x6f |
ddiv |
将栈顶两double型数值相除并将结果压入栈顶 |
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0x70 |
irem |
将栈顶两int型数值作取模运算并将结果压入栈顶 |
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0x71 |
lrem |
将栈顶两long型数值作取模运算并将结果压入栈顶 |
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0x72 |
frem |
将栈顶两float型数值作取模运算并将结果压入栈顶 |
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0x73 |
drem |
将栈顶两double型数值作取模运算并将结果压入栈顶 |
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0x74 |
ineg |
将栈顶int型数值取负并将结果压入栈顶 |
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0x75 |
lneg |
将栈顶long型数值取负并将结果压入栈顶 |
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0x76 |
fneg |
将栈顶float型数值取负并将结果压入栈顶 |
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0x77 |
dneg |
将栈顶double型数值取负并将结果压入栈顶 |
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0x78 |
ishl |
将int型数值左移位指定位数并将结果压入栈顶 |
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0x79 |
lshl |
将long型数值左移位指定位数并将结果压入栈顶 |
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0x7a |
ishr |
将int型数值右（符号）移位指定位数并将结果压入栈顶 |
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0x7b |
lshr |
将long型数值右（符号）移位指定位数并将结果压入栈顶 |
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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 |
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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 |
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0x7e |
iand |
将栈顶两int型数值作“按位与”并将结果压入栈顶 |
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0x7f |
land |
将栈顶两long型数值作“按位与”并将结果压入栈顶 |
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0x80 |
ior |
将栈顶两int型数值作“按位或”并将结果压入栈顶 |
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0x81 |
lor |
将栈顶两long型数值作“按位或”并将结果压入栈顶 |
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0x82 |
ixor |
将栈顶两int型数值作“按位异或”并将结果压入栈顶 |
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0x83 |
lxor |
将栈顶两long型数值作“按位异或”并将结果压入栈顶 |
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0x84 |
iinc |
将指定int型变量增加指定值（i++、i—、i+=2） |
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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 |
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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 |
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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 |
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0x97 |
dcmpl |
比较栈顶两double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 |
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0x98 |
dcmpg |
比较栈顶两double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 result，将result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TemplateTable::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 result，最后 result 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TemplateTable::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0x80000000 / -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0x80000000 / -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：
- 如果 val1 大于val2，结果为 1；
- 如果 val1 等于 val2，结果为 0；
- 如果 val1小于 val2，结果为-1。
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TemplateTable::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。
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