第23篇-虚拟机字节码指令之类型转换

Java虚拟机规范中定义的类型转换相关的字节码指令如下表所示。

0x85	i2l	将栈顶int型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶
0x86	i2f	将栈顶int型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶
0x87	i2d	将栈顶int型数值强制转换成double型数值并将结果压入栈顶
0x88	l2i	将栈顶long型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶
0x89	l2f	将栈顶long型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶
0x8a	l2d	将栈顶long型数值强制转换成double型数值并将结果压入栈顶
0x8b	f2i	将栈顶float型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶
0x8c	f2l	将栈顶float型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶
0x8d	f2d	将栈顶float型数值强制转换成double型数值并将结果压入栈顶
0x8e	d2i	将栈顶double型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶
0x8f	d2l	将栈顶double型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶
0x90	d2f	将栈顶double型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶
0x91	i2b	将栈顶int型数值强制转换成byte型数值并将结果压入栈顶
0x92	i2c	将栈顶int型数值强制转换成char型数值并将结果压入栈顶
0x93	i2s	将栈顶int型数值强制转换成short型数值并将结果压入栈顶

上表字节码指令的模板定义如下：

def(Bytecodes::_i2l   , ____|____|____|____, itos, ltos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_i2f   , ____|____|____|____, itos, ftos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_i2d   , ____|____|____|____, itos, dtos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_l2i   , ____|____|____|____, ltos, itos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_l2f   , ____|____|____|____, ltos, ftos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_l2d   , ____|____|____|____, ltos, dtos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_f2i   , ____|____|____|____, ftos, itos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_f2l   , ____|____|____|____, ftos, ltos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_f2d   , ____|____|____|____, ftos, dtos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_d2i   , ____|____|____|____, dtos, itos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_d2l   , ____|____|____|____, dtos, ltos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_d2f   , ____|____|____|____, dtos, ftos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_i2b   , ____|____|____|____, itos, itos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_i2c   , ____|____|____|____, itos, itos, convert ,  _           );
def(Bytecodes::_i2s   , ____|____|____|____, itos, itos, convert ,  _           );

相关字节码转换指令的生成函数为TemplateTable::convert()，此函数的实现如下：

void TemplateTable::convert() {
  static const int64_t is_nan = 0x8000000000000000L;

  // Conversion
  switch (bytecode()) {
  case Bytecodes::_i2l:
    __ movslq(rax, rax);
    break;
  case Bytecodes::_i2f:
    __ cvtsi2ssl(xmm0, rax);
    break;
  case Bytecodes::_i2d:
    __ cvtsi2sdl(xmm0, rax);
    break;
  case Bytecodes::_i2b:
    __ movsbl(rax, rax);
    break;
  case Bytecodes::_i2c:
    __ movzwl(rax, rax);
    break;
  case Bytecodes::_i2s:
    __ movswl(rax, rax);
    break;
  case Bytecodes::_l2i:
    __ movl(rax, rax);
    break;
  case Bytecodes::_l2f:
    __ cvtsi2ssq(xmm0, rax);
    break;
  case Bytecodes::_l2d:
    __ cvtsi2sdq(xmm0, rax);
    break;
  case Bytecodes::_f2i:
  {
    Label L;
    __ cvttss2sil(rax, xmm0);
    __ cmpl(rax, 0x80000000); // NaN or overflow/underflow?
    __ jcc(Assembler::notEqual, L);
    __ call_VM_leaf(CAST_FROM_FN_PTR(address, SharedRuntime::f2i), 1);
    __ bind(L);
  }
    break;
  case Bytecodes::_f2l:
  {
    Label L;
    __ cvttss2siq(rax, xmm0);
    // NaN or overflow/underflow?
    __ cmp64(rax, ExternalAddress((address) &is_nan));
    __ jcc(Assembler::notEqual, L);
    __ call_VM_leaf(CAST_FROM_FN_PTR(address, SharedRuntime::f2l), 1);
    __ bind(L);
  }
    break;
  case Bytecodes::_f2d:
    __ cvtss2sd(xmm0, xmm0);
    break;
  case Bytecodes::_d2i:
  {
    Label L;
    __ cvttsd2sil(rax, xmm0);
    __ cmpl(rax, 0x80000000); // NaN or overflow/underflow?
    __ jcc(Assembler::notEqual, L);
    __ call_VM_leaf(CAST_FROM_FN_PTR(address, SharedRuntime::d2i), 1);
    __ bind(L);
  }
    break;
  case Bytecodes::_d2l:
  {
    Label L;
    __ cvttsd2siq(rax, xmm0);
    // NaN or overflow/underflow?
    __ cmp64(rax, ExternalAddress((address) &is_nan));
    __ jcc(Assembler::notEqual, L);
    __ call_VM_leaf(CAST_FROM_FN_PTR(address, SharedRuntime::d2l), 1);
    __ bind(L);
  }
    break;
  case Bytecodes::_d2f:
    __ cvtsd2ss(xmm0, xmm0);
    break;
  default:
    ShouldNotReachHere();
  }
}

如_i2l指令将栈顶int型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶，其对应的汇编代码如下：

movslq %eax,%rax  // 将一个双字扩展后送到一个四字中

对于浮点数float或long转int或long类型相对复杂，下面看一个float转int类型的f2i指令。

// 把标量单精度数转换为占用双字的标量整数
0x00007fffe1019189: vcvttss2si %xmm0,%eax
// 和0x80000000进行比较，如果不相等，则跳转到L
0x00007fffe101918d: cmp    $0x80000000,%eax
0x00007fffe1019193: jne    0x00007fffe10191bc

// 如果栈顶指针已经按16字节对齐，则可直接调用调用SharedRuntime::f2i()函数，否则
// 将栈顶指令按16字节对齐后再调用

0x00007fffe1019199: test   $0xf,%esp
0x00007fffe101919f: je     0x00007fffe10191b7
0x00007fffe10191a5: sub    $0x8,%rsp
// 调用SharedRuntime::f2i()函数
0x00007fffe10191a9: callq  0x00007ffff6a0f946
0x00007fffe10191ae: add    $0x8,%rsp
0x00007fffe10191b2: jmpq   0x00007fffe10191bc
// 调用SharedRuntime::f2i()函数
0x00007fffe10191b7: callq  0x00007ffff6a0f946 

---- L ----

生成的汇编指令vcvttss2si的意思为把标量单精度数转换为占用双字的标量整数，名称的由来解读如下：

cvt：convert，转换；

t：truncation，截断；

ss：scalar single，标量单精度数；

2：to；

si：scalar integer，标量整数。

调用的SharedRuntime::f2i()函数的实现如下：

JRT_LEAF(jint, SharedRuntime::f2i(jfloat  x))
  if (g_isnan(x))  // 如果为非数字值，直接返回0
    return 0;
  if (x >= (jfloat) max_jint)
    return max_jint;
  if (x <= (jfloat) min_jint)
    return min_jint;
  return (jint) x;
JRT_END

C++函数调用时，需要一个参数x，在GNU / Linux上遵循System V AMD64 ABI的调用约定。寄存器RDI，RSI，RDX，RCX，R8和R9是用于整数和存储器地址的参数和XMM0，XMM1，XMM2，XMM3，XMM4，XMM5，XMM6和XMM7用于浮点参数，所以将用xmm0做为第1个参数，这个参数恰好是栈顶用来缓存浮点数的寄存器，所以默认不用任何操作。　

返回值存储到%rax中，由于tos_out为itos，%rax寄存器用来做栈顶缓存，所以也不需要做额外的操作。