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

	0x00	0x01	0x02	0x03	0x04	0x05	0x06	0x07	0x08	0x09	0x0a	0x0b	0x0c	0x0d	0x0e	0x0f
0x00	0x00 nop	0x01 aconst_null	0x02 iconst_m1	0x03 iconst_0	0x04 iconst_1	0x05 iconst_2	0x06 iconst_3	0x07 iconst_4	0x08 iconst_5	0x09 lconst_0	0x0a lconst_1	0x0b fconst_0	0x0c fconst_1	0x0d fconst_2	0x0e dconst_0	0x0f dconst_1
0x10	0x10 bipush	0x11 sipush	0x12 ldc	0x13 ldc_w	0x14 ldc2_w	0x15 iload	0x16 lload	0x17 fload	0x18 dload	0x19 aload	0x1a iload_0	0x1b iload_1	0x1c iload_2	0x1d iload_3	0x1e lload_0	0x1f lload_1
0x20	0x20 lload_2	0x21 lload_3	0x22 fload_0	0x23 fload_1	0x24 fload_2	0x25 fload_3	0x26 dload_0	0x27 dload_1	0x28 dload_2	0x29 dload_3	0x2a aload_0	0x2b aload_1	0x2c aload_2	0x2d aload_3	0x2e iaload	0x2f laload
0x30	0x30 faload	0x31 daload	0x32 aaload	0x33 baload	0x34 caload	0x35 saload	0x36 istore	0x37 lstore	0x38 fstore	0x39 dstore	0x3a astore	0x3b istore_0	0x3c istore_1	0x3d istore_2	0x3e istore_3	0x3f lstore_0
0x40	0x40 lstore_1	0x41 lstore_2	0x42 lstore_3	0x43 fstore_0	0x44 fstore_1	0x45 fstore_2	0x46 fstore_3	0x47 dstore_0	0x48 dstore_1	0x49 dstore_2	0x4a dstore_3	0x4b astore_0	0x4c astore_1	0x4d astore_2	0x4e astore_3	0x4f iastore
0x50	0x50 lastore	0x51 fastore	0x52 dastore	0x53 aastore	0x54 bastore	0x55 castore	0x56 sastore	0x57 pop	0x58 pop2	0x59 dup	0x5a dup_x1	0x5b dup_x2	0x5c dup2	0x5d dup2_x1	0x5e dup2_x2	0x5f swap
0x60	0x60 iadd	0x61 ladd	0x62 fadd	0x63 dadd	0x64 isub	0x65 lsub	0x66 fsub	0x67 dsub	0x68 imul	0x69 lmul	0x6a fmul	0x6b dmul	0x6c idiv	0x6d ldiv	0x6e fdiv	0x6f ddiv
0x70	0x70 irem	0x71 lrem	0x72 frem	0x73 drem	0x74 ineg	0x75 lneg	0x76 fneg	0x77 dneg	0x78 ishl	0x79 lshl	0x7a ishr	0x7b lshr	0x7c iushr	0x7d lushr	0x7e iand	0x7f land
0x80	0x80 ior	0x81 lor	0x82 ixor	0x83 lxor	0x84 iinc	0x85 i2l	0x86 i2f	0x87 i2d	0x88 l2i	0x89 l2f	0x8a l2d	0x8b f2i	0x8c f2l	0x8d f2d	0x8e d2i	0x8f d2l
0x90	0x90 d2f	0x91 i2b	0x92 i2c	0x93 i2s	0x94 lcmp	0x95 fcmpl	0x96 fcmpg	0x97 dcmpl	0x98 dcmpg	0x99 ifeq	0x9a ifne	0x9b iflt	0x9c ifge	0x9d ifgt	0x9e ifle	0x9f if_icmpeq
0xa0	0xa0 if_icmpne	0xa1 if_icmplt	0xa2 if_icmpge	0xa3 if_icmpgt	0xa4 if_icmple	0xa5 if_acmpeq	0xa6 if_acmpne	0xa7 goto	0xa8 jsr	0xa9 ret	0xaa tableswitch	0xab lookupswitch	0xac ireturn	0xad lreturn	0xae freturn	0xaf dreturn
0xb0	0xb0 areturn	0xb1 return	0xb2 getstatic	0xb3 putstatic	0xb4 getfield	0xb5 putfield	0xb6 invokevirtual	0xb7 invokespecial	0xb8 invokestatic	0xb9 invokeinterface	a	0xbb new	0xbc newarray	0xbd anewarray	0xbe arraylength	0xbf athrow
0xc0	0xc0 checkcast	0xc1 instanceof	0xc2 monitorenter	0xc3 monitorexit	0xc4 wide	0xc5 multianewarray	0xc6 ifnull	0xc7 ifnonnull	0xc8 goto_w	0xc9 jsr_w	0xca breakpoint	b	c	d	e	f
0xd0	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	a	b	c	d	e	f
0xe0	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	a	b	c	d	e	f
0xf0	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	a	b	c	d	0xfe impdep1	0xff impdep2

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。

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