每天学习一点点之再理解 Java 中的常量和相关助记符-CFANZ编程社区

文章目录

编译期常量
运行时常量
相关助记符
附：常量入栈指令
References

关于常量，在《Java 核心技术卷 I》中是这么定义的：

在 Java 中，利用关键字 final 指示常量。一旦被赋值之后，就不能够再更改了。

在 Java 中，经常希望某个常量可以在一个类中的多个方法中使用，通常将这些常量称为类常量。可以使用关键字 static final 设置一个类常量。

而常量又分为编译期常量和运行时常量。

编译期常量

在小议 Java 类的初始化中也提到过，对于 HotSpot 虚拟机来说，可以通过 -XX:+TraceClassLoading 参数查看有哪些类被加载；根据《Java 虚拟机规范》，验证一个类是否被初始化就是通过查看静态代码块是否执行。

看一个例子：

package dongguabai.demo.testing.classloader;

/**
 * @author Dongguabai
 * @Description
 * @Date 创建于 2020-11-22 01:38
 */
public class Main2 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Person.str);
    }
}

class Person{

    public static String str = "User_Str";

    static {
        System.out.println("User static....");
    }
}

输出：

[Loaded dongguabai.demo.testing.classloader.Main2 from file:/Users/dongguabai/IdeaProjects/thinkingTest/testing/target/classes/]
[Loaded dongguabai.demo.testing.classloader.Person from file:/Users/dongguabai/IdeaProjects/thinkingTest/testing/target/classes/]

User static....
User_Str

可以发现，Person 类被加载和初始化了。接下来将 Person 中的 str 加上 final 修饰，使之成为一个类常量：

public static final String str = "User_Str";

重新运行输出结果：

[Loaded dongguabai.demo.testing.classloader.Main2 from file:/Users/dongguabai/IdeaProjects/thinkingTest/testing/target/classes/]
User_Str

发现 Person 类既没有被加载，也没有被初始化。

实际上，在编译期间，常量会被存入调用常量的方法所在的类的常量池中。在上面的例子中调用类 Main2 并没有直接引用到定义常量 str 的 Person 类，所以这里并没有触发 Person 类的加载和初始化，所以编译之后其实 Main2 类和 Person 类没啥关系了。

再看一个例子：

➜  java git:(master) ✗ cd /Users/dongguabai/IdeaProjects/thinkingTest/testing/src/main/java
➜  java git:(master) ✗ javac dongguabai/demo/testing/classloader/Main2.java 
➜  java git:(master) ✗ ls dongguabai/demo/testing/classloader
Main.java    Main2.class  Main2.java   Person.class
➜  java git:(master) ✗ rm dongguabai/demo/testing/classloader/Person.class 
➜  java git:(master) ✗ java dongguabai/demo/testing/classloader/Main2
User_Str

在这个例子中我使用 javac 将 Main2.java 编译后，删除了 Person.class，但是此时 Main2.class 仍然可以正常运行，下面是 Main2.class 反编译后的结果：

//
// Source code recreated from a .class file by IntelliJ IDEA
// (powered by Fernflower decompiler)
//

package dongguabai.demo.testing.classloader;

public class Main2 {
    public Main2() {
    }

    public static void main(String[] var0) {
        System.out.println("User_Str");
    }
}

的确是跟 Person 没有任何关联了。

接下来使用 javap 查看一下 Main2.class 的字节码指令：

➜  java git:(master) ✗ javap -c dongguabai/demo/testing/classloader/Main2.class
Compiled from "Main2.java"
public class dongguabai.demo.testing.classloader.Main2 {
  public dongguabai.demo.testing.classloader.Main2();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #4                  // String User_Str
       5: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return
}

可以看到 Main2.java 中的 Person.str 已经被替换成了 User_Str，ldc 是 Java 中操作常量的指令助记符。

运行时常量

在《深入理解 Java 虚拟机》中关于触发类的初始化的行为有这么一段描述：

遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokeStatic 这 4 条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型 Java 代码场景有：

读取或设置一个类型的静态字段（被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候。（补充：分别会触发 getstatic 和 putstatic ）。

也就是说在编译器就能够确定结果的会直接放入常量池，不会触发常量所在类的初始化。再看一个例子：

package dongguabai.demo.testing.classloader;

import java.util.Date;

/**
 * @author Dongguabai
 * @Description
 * @Date 创建于 2020-11-22 10:36
 */
public class Main4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Person2.date);
    }
}

class Person2{

    public static final Date date = new Date();

    static {
        System.out.println("User2 static....");
    }
}

运行结果：

[Loaded dongguabai.demo.testing.classloader.Main4 from file:/Users/dongguabai/IdeaProjects/thinkingTest/testing/target/classes/]
[Loaded dongguabai.demo.testing.classloader.Person2 from file:/Users/dongguabai/IdeaProjects/thinkingTest/testing/target/classes/]
User2 static....
Sun Nov 22 10:49:38 CST 2020

这时候发现 Person2 被加载也被初始化了，因为此时的常量 date 是无法在编译期确定的。此时在 Main4 中调用 Person2.date 就相当于是主动使用了 Person2，会触发 Person2 的初始化。

相关助记符

在 com.sun.org.apache.bcel.internal.generic 包下有很字节码相关的类。

/**
 * LDC - Push item from constant pool.
 *
 * <PRE>Stack: ... -> ..., item</PRE>
 *
 * @author  <A HREF="mailto:markus.dahm@berlin.de">M. Dahm</A>
 */
public class LDC extends CPInstruction
  implements PushInstruction, ExceptionThrower, TypedInstruction {
  /**
   * Empty constructor needed for the Class.newInstance() statement in
   * Instruction.readInstruction(). Not to be used otherwise.
   */
  LDC() {}

  public LDC(int index) {
    super(com.sun.org.apache.bcel.internal.Constants.LDC_W, index);
    setSize();
  }

  // Adjust to proper size
  protected final void setSize() {
    if(index <= com.sun.org.apache.bcel.internal.Constants.MAX_BYTE) { // Fits in one byte?
      opcode = com.sun.org.apache.bcel.internal.Constants.LDC;
      length = 2;
    } else {
      opcode = com.sun.org.apache.bcel.internal.Constants.LDC_W;
      length = 3;
    }
  }
  ...
  ...
}

这里的 index 来自父类 CPInstruction：

protected int index; // index to constant pool

通过 com.sun.org.apache.bcel.internal.generic.LDC#setSize 方法可以大概猜出 ldc 与 ldc_w 的区别，这里测试一下：

package dongguabai.demo.testing.classloader;

/**
 * @author Dongguabai
 * @Description
 * @Date 创建于 2020-11-22 03:21
 */
public class Main3 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("0");
        System.out.println("1");
        System.out.println("2");
        System.out.println("3");
        System.out.println("4");
        System.out.println("5");
        System.out.println("6");
        System.out.println("7");
        ...
        ...
        System.out.println("253");
        System.out.println("254");
        System.out.println("255");
    }
}

javap 查看：

➜  java git:(master) ✗ javap -c -verbose dongguabai/demo/testing/classloader/Main3.class
Classfile /Users/dongguabai/IdeaProjects/thinkingTest/testing/src/main/java/dongguabai/demo/testing/classloader/Main3.class
  Last modified 2020-11-22; size 5692 bytes
  MD5 checksum 414b5be640030c3f3b05118b4fb376ad
  Compiled from "Main3.java"
public class dongguabai.demo.testing.classloader.Main3
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
    #1 = Methodref          #261.#270     // java/lang/Object."<init>":()V
    #2 = Fieldref           #271.#272     // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
    #3 = String             #273          // 0
    #4 = Methodref          #274.#275     // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
    #5 = String             #276          // 1
    #6 = String             #277          // 2
    ...
  #382 = Utf8               107
  #383 = Utf8               108
    ...
  #526 = Utf8               251
  #527 = Utf8               252
  #528 = Utf8               253
  #529 = Utf8               254
  #530 = Utf8               255
  #531 = Utf8               dongguabai/demo/testing/classloader/Main3
  #532 = Utf8               java/lang/Object
  #533 = Utf8               java/lang/System
  #534 = Utf8               out
  #535 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #536 = Utf8               java/io/PrintStream
  #537 = Utf8               println
  #538 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public dongguabai.demo.testing.classloader.Main3();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String 0
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        11: ldc           #5                  // String 1
        13: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        16: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        19: ldc           #6                  // String 2
        ...
      2000: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      2003: ldc           #254                // String 250
      2005: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      2008: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      2011: ldc           #255                // String 251
      2013: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      2016: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      2019: ldc_w         #256                // String 252
        ...
      2031: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      2034: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      2037: ldc_w         #258                // String 254
      2040: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      2043: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      2046: ldc_w         #259                // String 255
      2049: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      2052: return
      LineNumberTable:
        ...
}
SourceFile: "Main3.java"

可以看到 index 大于 255 的常量使用的是 ldc_w。

同样地，还有比如 ICONST：

public ICONST(int i) {
    super(com.sun.org.apache.bcel.internal.Constants.ICONST_0, (short)1);

    if((i >= -1) && (i <= 5))
      opcode = (short)(com.sun.org.apache.bcel.internal.Constants.ICONST_0 + i); // Even works for i == -1
    else
      throw new ClassGenException("ICONST can be used only for value between -1 and 5: " +
                                  i);
    value = i;
  }

看一个例子：

package dongguabai.demo.testing.classloader;

/**
 * @author Dongguabai
 * @Description
 * @Date 创建于 2020-11-22 15:32
 */
public class Main5 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(0);
        System.out.println(10);
    }
}

javap 查看：

➜  java git:(master) ✗ javap -c -verbose dongguabai/demo/testing/classloader/Main5.class
Classfile /Users/dongguabai/IdeaProjects/thinkingTest/testing/src/main/java/dongguabai/demo/testing/classloader/Main5.class
  Last modified 2020-11-22; size 428 bytes
  MD5 checksum e5ab95769f8d7d9f91305d67c0434419
  Compiled from "Main5.java"
public class dongguabai.demo.testing.classloader.Main5
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #5.#14         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #15.#16        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Methodref          #17.#18        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #4 = Class              #19            // dongguabai/demo/testing/classloader/Main5
   #5 = Class              #20            // java/lang/Object
   #6 = Utf8               <init>
   #7 = Utf8               ()V
   #8 = Utf8               Code
   #9 = Utf8               LineNumberTable
  #10 = Utf8               main
  #11 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #12 = Utf8               SourceFile
  #13 = Utf8               Main5.java
  #14 = NameAndType        #6:#7          // "<init>":()V
  #15 = Class              #21            // java/lang/System
  #16 = NameAndType        #22:#23        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Class              #24            // java/io/PrintStream
  #18 = NameAndType        #25:#26        // println:(I)V
  #19 = Utf8               dongguabai/demo/testing/classloader/Main5
  #20 = Utf8               java/lang/Object
  #21 = Utf8               java/lang/System
  #22 = Utf8               out
  #23 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #24 = Utf8               java/io/PrintStream
  #25 = Utf8               println
  #26 = Utf8               (I)V
{
  public dongguabai.demo.testing.classloader.Main5();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: iconst_0
         4: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
         7: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        10: bipush        10
        12: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        15: return
      LineNumberTable:
        line 11: 0
        line 12: 7
        line 13: 15
}
SourceFile: "Main5.java"

可以看到 0 使用的是 iconst_0，而 10 使用的是 bipush。

附：常量入栈指令

指令码	操作码（助记符）	操作数	描述（栈指操作数栈）
0x01	aconst_null		null值入栈。
0x02	iconst_m1		-1(int)值入栈。
0x03	iconst_0		0(int)值入栈。
0x04	iconst_1		1(int)值入栈。
0x05	iconst_2		2(int)值入栈。
0x06	iconst_3		3(int)值入栈。
0x07	iconst_4		4(int)值入栈。
0x08	iconst_5		5(int)值入栈。
0x09	lconst_0		0(long)值入栈。
0x0a	lconst_1		1(long)值入栈。
0x0b	fconst_0		0(float)值入栈。
0x0c	fconst_1		1(float)值入栈。
0x0d	fconst_2		2(float)值入栈。
0x0e	dconst_0		0(double)值入栈。
0x0f	dconst_1		1(double)值入栈。
0x10	bipush	valuebyte	valuebyte值带符号扩展成int值入栈。
0x11	sipush	valuebyte1valuebyte2	(valuebyte1 << 8) \| valuebyte2 值带符号扩展成int值入栈。
0x12	ldc	indexbyte1	常量池中的常量值（int, float, string reference, object reference）入栈。
0x13	ldc_w	indexbyte1indexbyte2	常量池中常量（int, float, string reference, object reference）入栈。
0x14	ldc2_w	indexbyte1indexbyte2	常量池中常量（long, double）入栈。