为一元非表达式生成 JVM 字节码答案

【问题标题】：Generating JVM bytecode for a unary not expression为一元非表达式生成 JVM 字节码
【发布时间】：2012-10-14 21:18:45
【问题描述】：

假设您正在编写一个 Java（或 Java 子集）编译器，并且您想为一元非表达式 !E 生成字节码。您已经通过了类型检查，所以您知道 E 的类型为 boolean，也就是说，它会将 1 或 0 推入操作数堆栈。

一种方法是（在 Jasmin 语法中）：

E
ifeq truelabel
iconst_0
goto stoplabel
truelabel:
iconst_1
stoplabel:

即如果堆栈上有 0 则推 1，否则推 0。另一种方法是利用 boolean 只是一个 int 的值 1 或 0 的事实，就是说 @ 987654331@并生成

E
iconst_1
iadd
iconst_2
irem

使用一个比另一个有优势吗？还是完全不同的东西？

【问题讨论】：

标签： java compiler-construction jvm javac bytecode

【解决方案1】：

我曾经尝试写一个Java反编译器，所以我曾经知道javac生成了什么代码。我记得，javac 1.0.x 使用了!E = E ? false : true，而 javac 1.1 使用了!E = E ^ 1（按位异或）。

【讨论】：

没想到^ 1;这绝对比第二个好。你知道从前者切换到后者背后的基本原理，或者为什么一开始没有使用^ 1？
实际上我只是尝试使用javac 1.6.0_26，它生成了第一个（除了ifne 而不是ifeq），所以我猜他们切换回来了。我想我仍然想知道一个与另一个的好处。
这只是一个疯狂的猜测，但也许他们将这些微优化转移到 JIT 中，这可能是他们所属的地方。

【解决方案2】：

我不会指望以下定义在字节码级别成立。

true == 1

在二进制级别（几乎与语言无关），布尔值通常定义为

false == 0
true != 0

javac 编译器显然也遵循这个定义（我见过的 javac 字节码中的所有检查总是检查零，从不检查 ONE）。

将这个定义用于布尔值而不是仅将 1 视为 true 是有意义的，C 也以这种方式定义它（true 只是 != 0，而不仅仅是 1），并且在汇编代码中这个约定也很常用。所以java也使用这个定义使得可以在没有任何特殊转换的情况下将java布尔值传递给其他代码。

我怀疑您的第一个代码示例（使用 ifeq）是正确实现布尔非运算符的唯一方法。如果布尔值未严格表示为 0/1，则 ^1 方法（与 1 异或）将失败。任何其他 int 值都会导致表达式无法正常工作。

【讨论】：

JVM 规范说：“Java 虚拟机使用 1 表示 true 和 0 表示 false 对布尔数组组件进行编码。其中 Java 编程语言布尔值由编译器映射到 Java 虚拟机类型的值int，编译器必须使用相同的编码。” docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/…
@isbadawi 这描述了 JVM 如何编码布尔值的数组，以及 Java 编译器必须如何将布尔值编码为整数何时以及如果他们这样做。 它与问题没有直接关系。
@EJP 这对我来说似乎有点模棱两可。第一句话是关于布尔数组，但第二句是关于布尔值。不过我可能错了。
@isdabawi 我发现 JVM 规范中的措辞非常混乱。首先，它对 Oracle VM确实如何将 boolean[] 实现为 byte[] 进行了评论（但我认为此评论不是规范的一部分）。然后，最后两句话讨论了 java 编译器 在将 boolean[] 实现为 int[] 时应该做什么——同样这并没有真正说明 VM 必须如何实现 boolean。事实上，我没有看到任何说 VM 必须以某种方式实现它，它只给出了它如何解释编译器可能为 boolean[] 生成的某些构造的约束。
我看起来并不困惑。 “Java 虚拟机编码布尔数组组件，使用 1 表示真，0 表示假”这句话清楚地针对 JVM。因此，这意味着即使特定实现在底层使用字节数组，这不得显示出来，即从布尔数组读取必须产生零或一，仅此而已。有趣的是，我试用的最新版本没有实现“非零表示真”规则，而是在使用除零或一以外的 int 值作为布尔值时截断除最低位之外的所有位。

【解决方案3】：

我听说模数运算可能非常慢。我没有它的来源，但考虑到添加比分割简单得多，这是有道理的。再说一次，在这种情况下，过多地跳转程序计数器可能会产生问题，在这种情况下，if/else 方法不会很好地工作。

话虽如此，我怀疑 Neil 的 E ^ 1 是最快的，但这只是一种预感。您所要做的就是将数字通过一个逻辑电路，您就完成了！只需一次操作，而不是少数几项。

【讨论】：

^1 的计算量绝对比 div/rem 少很多，而且条件分支的成本也有点高（因为它们会导致大多数当前 CPU 架构的分支预测错误）。更大的问题是，假设用于实现布尔值的 int 是否被严格限制为值 0/1 是否有效。
我相信 Java，确实如此。无论如何，如果您不知道，您可以直接使用(E & 1) ^ 1。
(&1) ^ 1 将 0x2 转换为 0x1（例如）。 true == !true 并不是人们所期望的。我不知道有任何简单的表达式可以将 int 的所有 32 位的逻辑 OR 折叠成一个位。要么布尔值受到严格约束，要么不能使用 ^ 方法。