Java虚拟机编译《二》控制指令 自己动手实现java虚拟机

while循环

void whileInt() {
    int i = 0;
    while (i < 100) {
        i++;
    }
}

编译成

Method void whileInt()
0   iconst_0
1   istore_1
2   goto 8
5   iinc 1 1
8   iload_1
9   bipush 100
11  if_icmplt 5
14  return

请注意，在Java虚拟机编写的循环代码中，while语句的判断条件（通过if_icmplt指令实现）是放在循环体的最后面的（早先提到的spin示例也是这样）。将判断条件放在循环体底部，意味着在进入循环的第一次迭代前，必须通过一个goto指令跳转到判断条件那里。如果判断条件不满足，导致循环体一次都未执行，那么这个额外的指令就会被浪费。然而，while循环通常用于预期会多次执行循环体的场景。在接下来的迭代中，将判断条件放在循环底部可以在每次循环时节省一条Java虚拟机指令：如果判断条件放在了循环的开始处，每次循环体执行完毕后都需要一条额外的goto指令来跳转回循环开始处。

涉及其他数据类型的控制结构以类似的方式编译，但必须使用可用于这些数据类型的指令。这会导致代码效率较低，因为需要更多 Java 虚拟机指令，例如

void whileDouble() {
    double i = 0.0;
    while (i < 100.1) {
        i++;
    }
}

编译成

Method void whileDouble()
0 dconst_0 // 加载double类型常数0.0
1 dstore_1 // 将double类型数值存储到局部变量1
2 goto 9 // 跳转到指令9
5 dload_1 // 从局部变量1中加载一个double类型值
6 dconst_1 // 加载double类型常数1.0
7 dadd // 执行double类型的加法
8 dstore_1 // 将结果存储回局部变量1
9 dload_1 // 再次从局部变量1中加载double类型值
10 ldc2_w #4 // 加载double类型常数100.1
13 dcmpg // 执行比较操作...
14 iflt 5 // 如果小于0，则跳转到指令5
17 return // 方法返回

在Java的浮点类型中，每一种类型都有两种特定的比较指令，这用于比较两个值的大小。对于float类型，这两个指令是fcmpl和fcmpg；对于double类型，这两个指令是dcmpl和dcmpg。这些指令之间的主要区别在于它们处理非数字（NaN）的方式。

对于NaN，我们认为它是无序的，也就是说，它既不大于、不小于也不等于任何值，包括其自身。因此，如果操作数之一是NaN，那么所有的浮点数比较操作将会失败。

然而为了保证程序的稳定运行，编译器会选择适当的比较指令，确保无论比较在非NaN值上失败还是遇到NaN值时，程序都能得到相同的结果。因此，实际的比较操作结果并不会随着值的差异（NaN或者非NaN）而改变。例如，对于一个比较操作，如果在非NaN值上失败，那么在遇到NaN值时，预期也是失败的。

int lessThan100(double d) {
    if (d < 100.0) {
        return 1;                                
    } else {
        return -1;                                
    }
}

编译成

Method int lessThan100(double)
0 dload_1 // 从局部变量1中加载double类型值
1 ldc2_w #4 // 加载double类型常数100.0
4 dcmpg // 如果输入值是NaN或大于100.0，将1压入栈中；如果输入值等于100.0，将0压入栈中
5 ifge 10 // 如果栈顶数值不小于0（即0或1），跳转到指令10
8 iconst_1 // 将int类型的常量1压入栈中
9 ireturn // 返回栈顶int类型值
10 iconst_m1 // 将int类型的-1压入栈中
11 ireturn // 返回栈顶int类型值

如果d不是NaN并且小于100.0，dcmpg指令会将一个int型-1压入操作数栈中，而ifge指令不会进行跳转。如果d大于100.0或者是NaN，dcmpg指令会将一个int型1压入操作数栈中，此时ifge指令会执行跳转。如果d等于100.0，dcmpg指令会将一个int型0压入操作数栈中，此时ifge指令也会进行跳转。

如果比较相反，dcmpl 指令也能达到同样的效果：

int greaterThan100(double d) {
    if (d > 100.0) {
        return 1;                        
    } else {
        return -1;                        
    }
}

编译成

Method int greaterThan100(double)
0 dload_1 // 从局部变量1中加载double类型值
1 ldc2_w #4 // 加载double类型常数100.0
4 dcmpl // 如果输入值是NaN或小于100.0，将-1压入栈中；如果输入值等于100.0，将0压入栈中
5 ifle 10 // 如果栈顶数值不大于0（即0或-1），跳转到指令10
8 iconst_1 // 将int类型的常量1压入栈中
9 ireturn // 返回栈顶int类型值
10 iconst_m1 // 将int类型的-1压入栈中
11 ireturn // 返回栈顶int类型值

cmp指令总结：Java字节码中dcmpl指令的行为以及其对后续条件分支指令的影响，特别是在处理NaN（不是一个数字）值时的特别之处。

首先，当两个double型值进行比较时，dcmpl指令被用于验证这两个值的大小关系。如果第一个操作数小于第二个，会将-1压入操作数栈；如果两者相等，会压入0；如果第一个操作数大于第二个，会压入1。

然而，比较涉及NaN时，情况有所不同。NaN是指不是一个数字的值，通常作为无效操作的结果出现，比如0除以0。在浮点数比较中，任何涉及NaN的操作应当被视为未定义或失败。dcmpl指令在这种情况下会将-1压入操作数栈，表示比较失败或第一个操作数“小于”第二个操作数。这是为了保证程序能在遇到NaN时仍然能有确定的行为模式。

ifle是一个条件分支指令，它会检查操作数栈顶的值是否小于或等于0，如果是的话，就会跳转到指定的指令地址。因此，如果dcmpl指令将-1压入操作数栈（无论是因为实际的比较结果，还是因为操作数中有NaN），ifle指令就会触发跳转。

如果没有dcmpl和dcmpg这两个指令，程序员就必须自行编写额外的代码来手动检测参数是否为NaN，并据此决定是否跳转，这无疑增加了编程复杂度。简单来说，dcmpl指令简化了在面对NaN值时的比较逻辑，使得处理特殊情况变得更加直接和高效。