通過字節碼分析 Java 語言和 Java 虛擬機如何看待 boolean 類型

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一、概述

JAVA 中的 boolean 類型是我們經常使用的一個類型，但是我們對其瞭解可能是僅限於 true 和 false，因此本篇博文將帶你從 Java 虛擬機字節碼的角度來認識不一樣的 boolean 類型。

二、實例代碼和指令

2.1 示例代碼和指令

// Fool.java
public class Foo { 
	public static void main(String[] args) { 
		boolean flag = true; 
		if (flag) System.out.println("Hello, Java!"); 
		if (flag == true) System.out.println("Hello, JVM!"); 
	}
}

$ echo '
public class Foo { 
	public static void main(String[] args) { 
		boolean flag = true; 
		if (flag) System.out.println("Hello, Java!");
		if (flag == true) System.out.println("Hello, JVM!"); 
	}
}' > Foo.java
$ javac Foo.java
$ java Foo
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Foo.class > Foo.jasm.1
$ awk 'NR==1,/iconst_1/{sub(/iconst_1/, "iconst_2")} 1' Foo.jasm.1 > Foo.jasm
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jasm.Main Foo.jasm
$ java Foo

2.2 運行結果

三、探究 boolean 類型

3.1 指令解析

$ echo '
public class Foo { 
	public static void main(String[] args) { 
		boolean flag = true; 
		if (flag) System.out.println("Hello, Java!");
		if (flag == true) System.out.println("Hello, JVM!"); 
	}
}' > Foo.java
$ javac Foo.java
$ java Foo
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Foo.class > Foo.jasm.1
$ awk 'NR==1,/iconst_1/{sub(/iconst_1/, "iconst_2")} 1' Foo.jasm.1 > Foo.jasm
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jasm.Main Foo.jasm
$ java Foo

將示例的 Java 代碼輸出至 Foo.java 文件中；
使用 javac 編譯 Foo.java ；
運行 Foo 類的 Main 方法；
使用 AsmTools 將 .class 字節碼文件轉換爲 JASM 語法並將轉換後的結果輸出至 Foo.jasm.1 文件中；
使用 Linux 的 awk 命令在 Foo.jasm.1 文件中查找字符串 “iconst_1” 將其替換爲 “iconst_2” 並將替換後的文件內容輸出至 Foo.jasm 文件中；
使用 AsmTools 將 JASM 語法文件 Foo.jasm 轉換爲 .class 字節碼文件；
運行 Foo 類的 Main 方法；

3.2 JASM 文件

public static Method main:"([Ljava/lang/String;)V"
	stack 2 locals 2
{
		iconst_1;
		istore_1;
		iload_1;
		ifeq	L14; "第一處判斷語句 if (flag)"
		getstatic	Field java/lang/System.out:"Ljava/io/PrintStream;";
		ldc	String "Hello, Java!";
		invokevirtual	Method java/io/PrintStream.println:"(Ljava/lang/String;)V";
	L14:	stack_frame_type append;
		locals_map int;
		iload_1;
		iconst_1;
		if_icmpne	L27; "第二處判斷語句 if (flag == true)"
		getstatic	Field java/lang/System.out:"Ljava/io/PrintStream;";
		ldc	String "Hello, JVM!";
		invokevirtual	Method java/io/PrintStream.println:"(Ljava/lang/String;)V";
	L27:	stack_frame_type same;
		return;
}

} // end Class Foo

3.3 .class 字節碼文件

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: iconst_1
         1: istore_1
         2: iload_1
         3: ifeq          14				  // 第一處判斷語句 if (flag)
         6: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         9: ldc           #3                  // String Hello, Java!
        11: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        14: iload_1
        15: iconst_1
        16: if_icmpne     27				  // 第二處判斷語句 if (flag == true)
        19: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        22: ldc           #5                  // String Hello, JVM!
        24: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        27: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 252 /* append */
          offset_delta = 14
          locals = [ int ]
        frame_type = 12 /* same */
}

3.4 操作解析和原理分析

通過上面的 JASM 語法以及 .class 字節碼我們可以看到對於原代碼中的第一處判斷語句 if (flag) 以及後面第二處判斷語句 if (flag == true) 在字節碼中分別被翻譯爲 ifeq 和 if_icmpne 指令，而這兩條指令的含義如下：

ifeq ：當操作數棧上數值爲 0 時跳轉；
if_icmpne ：當操作數棧上兩個數值不相同時跳轉

因此首先我們可以得出的一條結論即對於 Java 中的 if (boolean) 語句在 Java 虛擬機上會被翻譯爲如果該 boolean 值爲零那麼就進行跳轉，也即暫時可以判斷在虛擬機中 boolean 是被當做整形來看待的，接下的 if (flag == true) 語句則比較兩個數值是否相等，即當兩個數值不相等時跳轉。

然後回到我們剛剛的示例指令中，對於上面的指令我們可以分爲兩部分來看：

首先我們將原源代碼直接編譯爲字節碼文件，通過字節碼文件我們可以看到此時 flag 的值爲 iconst_1（常數 1），所以在進行第一個判斷指令 ifeq 的判斷時因爲 flag 不爲零所以不進行跳轉，因此打印了 Hello, Java! ，之後再進行第二個 if_icmpne 判斷指令的判斷，因爲 flag 的值爲 iconst_1 等於 true（iconst_1），所以打印了第二個 Hello, JVM! ；
接下來我們將字節碼轉換爲 JASM 語言格式的文件，然後通過 Linux 的 awk 命令將文件中的 iconst_1（常數 1）替換爲了 iconst_2（常數 2），然後再通過 ASM 將其重新編譯爲字節碼文件。在這次的運行中對於第一個判斷指令 ifeq 的判斷因爲 flag 爲 iconst_2 即仍然不爲零，所以仍然不進行跳轉，依舊打印了 Hello, Java! ，但對於第二個 if_icmpne 的判斷因爲此時 flag 爲 iconst_2 不等於 true 的 iconst_1 ，所以並沒有輸出 Hello, JVM! ；

通過上面的測試我們可以得出這樣的結論：在 Java 虛擬機中 boolean 類型被映射成 int 類型，具體來說，true 被映射爲整數 1，而 false 被映射爲整數 0。對於 Java 中普通的 if (flag) 判斷實質是判斷 flag 在虛擬機中的映射是否爲零值，如果爲零值即跳轉，而對於 if (flag == true) 判斷的實質也是在判斷 flag 在虛擬機中的映射是否爲整數 1 ，如果非整數 1 即跳轉。

四、探究 boolean 的掩碼處理

4.1 概述

Java 虛擬機中在將 boolean、byte、char 以及 short 的值存入字段或者數組單元時，Java 虛擬機會對其進行 掩碼操作。在讀取時，Java 虛擬機則會將其擴展爲 int 類型。也就是說，boolean、byte、char、short 這四種類型，在棧上佔用的空間和 int 是一樣的，和引用類型也是一樣的。因此，在 32 位的 HotSpot 中，這些類型在棧上將佔用 4 個字節；而在 64 位的 HotSpot 中，他們將佔 8 個字節。而對於 byte、char 以及 short 這三種類型的字段或者數組單元，它們在堆上佔用的空間分別爲一字節、兩字節，以及兩字節，也就是說，跟這些類型的值域相吻合 。

那到底什麼時候 Java 虛擬機會對其進行 掩碼操作 呢，下面我們就來驗證一下。

4.2 求證

// Foo.java
public class Foo { 
	static boolean boolValue; // 注意這裏的 boolValue 保存在靜態域中
	public static void main(String[] args) { 
		boolValue = true; 
		if (boolValue) System.out.println("Hello, Java!"); 
		if (boolValue == true) System.out.println("Hello, JVM!"); 
	}
}

$ javac Foo.java
$ java Foo
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Foo.class > Foo.jasm.1

$ awk 'NR==1,/iconst_1/{sub(/iconst_1/, "iconst_2")} 1' Foo.jasm.1 > Foo.jasm
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jasm.Main Foo.jasm
$ java Foo

$ javac Foo.java
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Foo.class > Foo.jasm.1
$ awk 'NR==1,/iconst_1/{sub(/iconst_1/, "iconst_3")} 1' Foo.jasm.1 > Foo.jasm
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jasm.Main Foo.jasm
$ java Foo

這次用來求證的命令行操作與上次相似，包括下面這兩步：

首先通過 javac 正常編譯 Foo.java 文件，然後將字節碼文件轉換爲 JASM 語法格式文件，並通過 awk 命令將其中的 iconst_1 替換爲 iconst_2 ，然後再通過 AsmTools 將其轉換爲字節碼文件，並通過 java 命令運行該文件；
其次再通過 javac 正常編譯 Foo.java 文件，然後將字節碼文件轉換爲 JASM 語法格式文件，並通過 awk 命令將其中的 iconst_1 替換爲 iconst_3 ，然後再通過 AsmTools 將其轉換爲字節碼文件，並通過 java 命令運行該文件；

命令運行後的結果如下圖所示：

4.3 解析

通過上述命令的運行我們可以發現一個很有趣的現象，首先當我們將 boolean 變量按照上一章節中的方法進行修改時（將其由 iconst_1 替換爲 iconst_2）會發現這次沒有任何輸出，而當我們將其由 iconst_1 替換爲 iconst_3 時卻同時打印了 Hello, Java! 和 Hello, JVM! ，說明 Java 虛擬機對其進行了掩碼操作，且掩碼操作是取其最低位，因此當其值爲 2 時取其最低位爲 0 ，而當其值爲 3 時取其最低位爲 1 ，所以當其值爲 iconst_2 時兩個判斷都無法通過，而當其值爲 iconst_3 時可以同時通過兩個判斷。

總結來說在上章實例代碼中的 boolean 變量是 非靜態域變量 ，而這裏的示例代碼則是將 boolean 保存在靜態域中，且指定了其類型爲 ‘Z’（boolean），當修改其值爲 2 時取最低位爲 0，而當修改爲 3 時取最低位爲 1 ，因此說明 boolean 的掩碼處理是取最低位的 。

五、內容總結

5.1 總結

在 Java 虛擬機規範中，boolean 類型則被映射成 int 類型 。具體來說，true 被映射爲整數 1，而 false 被映射爲整數 0 。同時這個編碼規則約束了 Java 字節碼的具體實現。
當將 boolean 保存在 靜態域 中，且指定了其類型爲 ‘Z’（boolean）時，此時 Java 虛擬機會對其進行掩碼操作，且 boolean 的掩碼處理是取最低位的 。

通過字節碼分析 Java 語言和 Java 虛擬機如何看待 boolean 類型

文章目錄

一、概述

二、實例代碼和指令

2.1 示例代碼和指令

2.2 運行結果

三、探究 boolean 類型

3.1 指令解析

3.2 JASM 文件

3.3 .class 字節碼文件

3.4 操作解析和原理分析

四、探究 boolean 的掩碼處理

4.1 概述

4.2 求證

4.3 解析

五、內容總結

5.1 總結

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