JAVA字节码指令iload_n为什么只有0到3？

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来源：r6d.cn/ZxLw

这是Java字节码上针对字节码大小的一个早期优化。从现在的角度看它可能算是一种过早优化（premature optimization）了。

Java字节码指令集里，大部分跟局部变量打交道的指令（例如load、store）都有完整版：

load n

例如iload 5，以及针对头4个局部变量/参数的缩写版：

load_

例如iload_0，这样两个版本。其中，缩写版，正如标题所说，只有0~3的范围。

它们的区别是，前者有显式的“操作数”（operand），而后者是把操作数融合到了操作码（opcode）里面。看iload与iload_的例子就很清楚：

iload的指令格式是：Chapter 6. The Java Virtual Machine Instruction Set^[1]

iload index

其中"iload"是opcode，其值为21（0x15），而后面跟着一个unsigned byte作为index来指定局部变量的下标。另外还有wide版，如果在iload前面带有wide前缀的话，则格式为：

wide iload index1 index2

其中wide、iload、index1、index2各自为一个字节，而 (index1 << 8) | index2 构成指令局部变量下标的操作数。

iload_的指令格式则是：Chapter 6. The Java Virtual Machine Instruction Set^[2]

iload_

其中iload_自身就是opcode，它可能的取值为：iload_0 = 26 (0x1a)iload_1 = 27 (0x1b)iload_2 = 28 (0x1c)iload_3 = 29 (0x1d)这样的话，针对头4个局部变量，iload_就可以只用一个字节的opcode来表达整条指令，比使用完整版的iload要少一个字节。使用缩写版指令不但可以让字节码的大小减少，还可以让解释器（注意！只是解释器）的性能提升。因为解释器通常都会有这样的结构：

while (true) {opcode = *program_counter++;    // fetch opcode://   1 memory read, 1 memory writeswitch (opcode) {               // dispatch opcodecase some_instruction:operands = decode_operands(); // decode operands://   1~n memory readsperform_operation(operands);  // actual operationprogram_counter += size_of_some_instruction; // 1 memory read, 1 memory writebreak;}
}

（解释器有各种优化方式，上面的形式是最简单的switch-threading，但 fetch-dispatch/decode-execute 的组成部分总是存在的）当使用缩写版指令时，decode_operands()就不需要做任何额外的内存读，因为operand已经隐藏在opcode里了，于是就会比完整版指令要快一些。

至于为啥选择0~3的范围来做缩短版，我不知道当初JVM原始设计的过程中具体发生了怎样的讨论和设计取舍，但一种可以想像的可能性是：最初的JVM的解释器已经写好了，看看1个字节的opcode能表达的256个opcode中已经用了多少个，然后再想想剩下的空余的那些可以用来做怎样的局部优化。

大概是正好发现，如果用0~3的话可以基本上把opcode范围用满（JVM规范里使用了的opcode范围比Sun最初的JVM内部所使用的opcode范围要小一些，因为Sun JVM使用了一些quick_系字节码并没有作为规范的一部分，而是在第一版JVM规范里作为额外的讲解说剩余的编码空间可以用来做quick_系指令的优化），如果用例如说0~4的话就把1字节opcode编码空间用超了，而0~2的话则用不满。

就这样而已。

于是早期的坊间传说的Java程序性能优化指引中，有一条是说：Java方法应该尽量只使用不超过4个参数+局部变量，最频繁使用的局部变量应该放在前面，来想办法使用上Java字节码的这个缩写版指令优化。

然而后来JIT编译器成为主流后，这种优化指引就完全没有用了。JIT编译器根本不在乎输入的字节码是完整版还是缩写版，都一样对待。

参考资料

[1]

Chapter 6. The Java Virtual Machine Instruction Set: https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5.iload

Chapter 6. The Java Virtual Machine Instruction Set: https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5.iload_n

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