Java仮想マシン (Java Virtual Machine, Java VM, JVM) は、Javaバイトコードとして定義された命令セットを実行するスタック型の仮想マシン。APIやいくつかのツールとセットでJava Runtime Environment (JRE) としてリリースされている。この環境を移植することで、さまざまな環境でJavaのプログラムを実行することができる。

命令セット仕様

ニーモニック表

オペコード解説

配列 =

• iaload, laload, faload, daload, aaload, baload, caload, saload - 配列からint, long, float, double, オブジェクト, byteまたはboolean, char, shortを取り出す。
• iastore, lastore, fastore, dastore, aastore, bastore, castore, sasoter - 配列にint, long, float, double, オブジェクト, byteまたはboolean, char, shortを格納。
• newarray - 数値や文字の配列を作成。
• anewarray - オブジェクト配列を作成。
• multianewarray - 多次元配列を作成。
• arraylength - 配列の長さを取得

メソッド呼び出し

• invokevirtual - インスタンスメソッドを呼び出す。
• invokespecial - インスタンス初期化メソッド、privateメソッド、スーパークラスのインスタンスメソッドを呼び出す。
• invokestatic - staticメソッドを呼び出す
• invokeinterface - インターフェイスメソッドを呼び出す

return

• return - 返値なしでreturn
• ireturn, lreturn, freturn, dreturn, areturn - int, long, float, double, オブジェクトを返値としてreturnする。

比較

• dcmpg, dcmpl - double同士を比較。NaNの時は1, -1。
• fcmpg, fcmpl - float同士を比較。NaNの時は1, -1。
• lcmp - long同士を比較。

条件分岐

• ifeq, ifnull, iflt, ifle, ifne, ifnonnull, ifgt, ifge - スタックの値が0, null, 0未満, 0以下, 0以外, null以外, 0より大きい, 0以上ならジャンプする
• if_icmpeq, if_icmpne, if_icmplt, if_icmpgt, if_icmple, if_icmpge - 2つのint値が等しい、等しくない、＜、＞、≦、≧ならジャンプする
• if_acmpeq, if_acmpne - ２つのオブジェクトが同一、異なるオブジェクトを参照していたらジャンプする。

ジャンプ

• goto, goto_w - 現在のプログラムカウンタにそれぞれ2,4バイト加えたアドレスに制御が移る。
• jsr, jsr_w - サブルーチンへジャンプする。gotoと違い戻りアドレスを保存する。戻りアドレスの値はそれぞれジャンプ前のアドレス+3,5となる。
• ret - サブルーチンの呼び出し元に戻る。アドレスが格納されているローカル変数を指定する。
• lookupswitch - switch文のcase式の値が不連続である場合値を探しながらジャンプ先を探す。
• tableswitch - switch文のcase式の値が連続である場合キー値をindexとしジャンプ先アドレスを値とする配列を作り高速にジャンプする。

スタックに積む

• bipush, sipush - byte, shortをスタックに積む。
• ldc - コンスタントプール内の4バイトの定数(int,float,String)の内1バイト以内でエントリ番号を指定できるものをスタックに積む。
• ldc_w - エントリ番号が1バイトでは足りないときに使う。
• ldc2_w - コンスタントプール内の8バイトの定数(long,double)をスタックに積む。
• iconst_m1, iconst_0, iconst_1, iconst_2, iconst_3, iconst_4, iconst_5 - intの-1,0,1,2,3,4,5をスタックに積む。
• lconst_0, lconst_1 - longの0,1をスタックに積む
• fconst_0, fconst_1, fconst_2 - floatの0,1,2をスタックに積む
• dconst_0, dconst_1 - doubleの0,1をスタックに積む。
• aconst_null - スタックにnullを積む。

スタック編集

• pop, pop2 - スタックから1,2ワード取り除く
• dup, dup2
• dup_x1, dup2_x1
• dup_x2, dup2_x2
• swap

ローカル変数

• iload, lload, fload, dload, aload - ローカル変数からint, long, float, double, オブジェクトを取り出してスタックに積む。
• iload_0, iload_1, iload_2, iload_3 - n番目のローカル変数からintを取り出してスタックに積む。
• lload_0, lload_1, lload_2, lload_3 - n番目のローカル変数からlongを取り出してスタックに積む。
• fload_0, fload_1, fload_2, fload_3 - n番目のローカル変数からfloatを取り出してスタックに積む。
• dload_0, dload_1, dload_2, dload_3 - n番目のローカル変数からdoubleを取り出してスタックに積む。
• aload_0, aload_1, aload_2, aload_3 - n番目のローカル変数からオブジェクトを取り出してスタックに積む。
• istore, lstore, fstore, dstore, astore - int, long, float, double, オブジェクトをローカル変数に格納。
• istore_0, istore_1, istore_2, istore_3 - intをn番目のローカル変数に格納。
• lstore_0, lstore_1, lstore_2, lstore_3 - longをn番目のローカル変数に格納。
• fstore_0, fstore_1, fstore_2, fstore_3 - floatをn番目のローカル変数に格納。
• dstore_0, dstore_1, dstore_2, dstore_3 - doubleをn番目のローカル変数に格納。
• astore_0, astore_1, astore_2, astore_3 - オブジェクトをn番目のローカル変数に格納。

型キャスト

• checkcast - オブジェクトまたは配列の型を確認。
• instanceof - スタックからオブジェクト参照をpopし、それが指定された型と同じであれば「1」を、異なれば「0」をスタックに積む。
• i2l, i2f, i2d, i2b, i2c, i2s - intからlong, float, double, byte, char, shortに型キャスト
• l2i, l2f, l2d - longからint, float, doubleに型キャスト
• f2i, f2l, f2d - floatからint, long, doubleに型キャスト
• d2i, d2l, d2f - doubleからint, long, floatに型キャスト

算術演算

• iinc
• iadd, ladd, fadd, dadd - int, long, float, double同士の足し算
• isub, lsub, fsub, dsub - int, long, float, double同士の引き算
• imul, lmul, fmul, dmul - int, long, float, double同士の掛け算
• idiv, ldiv, fdiv, ddiv - int, long, float, double同士の割り算
• irem, lrem, frem, drem - int, long, float, double同士の余り
• ineg, lneg, fneg, dneg - int, long, float, doubleの符号反転

論理演算

• ishl, lshl
• ishr, lshr
• iushr, lushr
• iand, land
• ior, lor
• ixor, lxor

オブジェクト

• new - オブジェクトの生成
• putfield, getfield - メンバ変数の設定、取り出し
• putstatic, getstatic - static変数の設定、取り出し

その他

• athrow - 例外を発生させる
• nop - なにもしない
• breakpoint
• monitorenter - ロック取得
• monitorexit - ロック解放
• wide

実装系

エンタープライズ用(デスクトップ用を包含)としては、Sun、IBM、BEA、HPなどの各社から実装系がリリースされている。 OS上でアプリケーションとして動作する形態が一般的であるが、Azul Systems社のAzul Compute Applianceのようにバイトコードを実行を外部のプロセッサで行うタイプも存在する。

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バイトコード解釈

初期のJava VMはインタプリタ型であったため、動作速度が他のアプリケーションに比べて遅い場合があった。そのため、メソッドの実行直前(Just in Time)にバイトコードをCPUのネイティブコードにコンパイルして実行する形式(JITコンパイラ）を、Borland や IBMなどがリリースした。SunもHotSpotという高速化技術を導入した。 HotSpotはJITコンパイラの一種だが、常にJITコンパイルを行うのではなく、実行回数が規定回数を超えたメソッド(Hotspot)のみをJITコンパイルする。これにより、JITコンパイルによる無駄なリソースの消費を防いだり、インタプリタ実行時のプロファイリング情報をJITコンパイル利用できる利点がある。HotSpotには用途別に、クライアントVM(コンパイルは高速だが生成されるネイティブコードがあまり最適化されない)と、サーバVM(コンパイルは低速だが生成されるネイティブコードがそこそこ最適化される)がある。

スレッド

• グリーンスレッド - pthread等、OSが提供するスレッドライブラリを直接使わずJavaで仮想的なスレッドを作り実行する形式。現在はあまり利用されていない。
• ネイティブスレッド - OSが提供するスレッドライブラリとJavaスレッドが1x1で対応する形式。

GC

• 世代別GC - ヒープを2つ以上の世代に分割し、それぞれに異なるアルゴリズム(およびデータ構造)を適用する方式。

GCアルゴリズム(データ構造)

• コピーGC
• Mark & Sweep
• Mostly Concurrent Mark & Sweep
• Mark & Compact

関連項目

• Kaffe - フリーなJava仮想マシン実装

外部リンク

• Java 仮想マシン仕様

ウィキブックスにJava関連の教科書や解説書があります。