Java仮想マシン

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実行環境 (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

スタック

• bipush、 sipush - byte値、 short値をスタックに積む。
• ldc - コンスタントプール内の4バイトの定数(int値、float値、java.lang.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値、double値)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。
• 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

局所変数

• iload、 lload、 fload、 dload、 aload - 局所変数からint値、 long値、 float値、 double値、 参照値を取り出してスタックに積む。
• iload_0、 iload_1、 iload_2、 iload_3 - 0、1、2、3番目の局所変数からint値を取り出してスタックに積む。
• lload_0、 lload_1、 lload_2、 lload_3 - 0、1、2、3番目の局所変数からlong値を取り出してスタックに積む。
• fload_0、 fload_1、 fload_2、 fload_3 - 0、1、2、3番目の局所変数からfloat値を取り出してスタックに積む。
• dload_0、 dload_1、 dload_2、 dload_3 - 0、1、2、3番目の局所変数からdouble値を取り出してスタックに積む。
• aload_0、 aload_1、 aload_2、 aload_3 - 0、1、2、3番目の局所変数から参照値を取り出してスタックに積む。
• istore、 lstore、 fstore、 dstore、 astore - int値、 long値、 float値、 double値、 参照値を局所変数に格納。
• istore_0、 istore_1、 istore_2、 istore_3 - int値を0、1、2、3番目の局所変数に格納する。
• lstore_0、 lstore_1、 lstore_2、 lstore_3 - long値を0、1、2、3番目の局所変数に格納する。
• fstore_0、 fstore_1、 fstore_2、 fstore_3 - float値を0、1、2、3番目の局所変数に格納する。
• dstore_0、 dstore_1、 dstore_2、 dstore_3 - double値を0、1、2、3番目の局所変数に格納する。
• astore_0、 astore_1、 astore_2、 astore_3 - 参照値を0、1、2、3番目の局所変数に格納する。

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以上の場合に指定の番地に制御を移す。
• 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、＜、＞、≦、≧の場合に指定の番地に制御を移す。
• if_acmpeq、 if_acmpne - 2つの参照値が等しい、等しくない場合に指定の番地に制御を移す。

飛び越し

• goto、 goto_w - 現在のプログラムカウンタにそれぞれ2、4バイト加えた番地に制御を移す。
• jsr、 jsr_w - サブルーチンの先頭に制御を移す。gotoと違い、戻り番地を保存する。戻り番地の値はそれぞれ、制御を移す前の番地+3、制御を移す前の番地+5となる。
• ret - サブルーチンの呼び出し元の戻り番地に制御を移す。番地が格納されている局所変数を指定する。
• lookupswitch - switch文のcase式の値が不連続である場合に、値を探しながら飛び越し先を探し、飛び越しを行う。
• tableswitch - switch文のcase式の値が連続である場合に、（キーがインデクス値、値が飛び越し先番地の）表を使って飛び越しを行う。（高速である）

サブルーチンの呼び出し

• 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、プライベートメソッド、スーパークラスのインスタンスメソッドを呼び出す。
• invokestatic - クラス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。

サブルーチンからの復帰

• return - スタックに返を残さずに、サブルーチンの呼び出し元の戻り番地に制御を移す。
• ireturn、 lreturn、 freturn、 dreturn、 areturn - スタックに int値、 long値、 float値、 double値を残して、サブルーチンの呼び出し元の戻り番地に制御を移す。

型キャスト

• checkcast - 参照値が指し示すインスタンスの型を確認。
• instanceof - スタックから参照値を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値をlong値、 float値、 double値、 byte値、 char値、 short値に変換したものをスタックに残す。
• l2i、 l2f、 l2d - long値をint値に、 float値に、 double値に変換したものをスタックに残す。
• f2i、 f2l、 f2d - float値をint値に、 long値に、 double値に変換したものをスタックに残す。
• d2i、 d2l、 d2f - double値をint値に、 long値に、 float値に変換したものをスタックに残す。

比較演算

• dcmpg、 dcmpl - double同士を比較し、1または-1をスタックに残す。
• fcmpg、 fcmpl - float同士を比較し、1または-1をスタックに残す。
• lcmp - long同士を比較し、1または-1をスタックに残す

算術演算

• iinc - intの値を、直接記述した定数分、増減する。定数は符号付き8ビットで、int型のビット数に符号付きで拡張後加算される。
• iadd、 ladd、 fadd、 dadd - int値、 long値、 float値、 double値 同士の和を求め、スタックに残す。
• isub、 lsub、 fsub、 dsub - int値、 long値、 float値、 double値 同士の差を求め、スタックに残す。
• imul、 lmul、 fmul、 dmul - int値、 long値、 float値、 double値 同士の積を求め、スタックに残す。
• idiv、 ldiv、 fdiv、 ddiv - int値、 long値、 float値、 double値 同士の商を求め、スタックに残す。
• irem、 lrem、 frem、 drem - int値、 long値、 float値、 double値 同士の余を求め、スタックに残す。
• ineg、 lneg、 fneg、 dneg - int値、 long値、 float値、 double値 の反数を求め、スタックに残す。

論理演算

• ishl、  lshl  - int値、 long値 を指定ビットだけ左にシフトした値をスタックに残す。
• ishr、  lshr  - int値、 long値 を指定ビットだけ右に算術シフトした値をスタックに残す。。負数はシフト後も負に維持される。
• iushr、 lushr - int値、 long を指定ビットだけ右に論理シフトした値をスタックに残す。
• iand、  land  - int値、 long値 の2オペランドのAND（ビットごとの論理積）を求め、スタックに残す。
• ior、   lor   - int値、 long の2オペランドの OR（ビットごとの論理和）を求め、スタックに残す。
• ixor、  lxor  - int値、 long の2オペランドのXOR（ビットごとの排他的論理和）を求め、スタックに残す。

オブジェクト

• new - インスタンスの生成
• putfield、 getfield - メンバ変数への値の代入、値の取り出し
• putstatic、 getstatic - クラス変数への値の代入、値の取り出し

配列

• iaload、 laload、 faload、 daload、 aaload、 baload、 caload、 saload - 配列の指定された位置にあるint値、 long値、 float値、double値、参照値、byteまたはboolean値、char値、 short値をスタックに残す。
• iastore、 lastore、 fastore、 dastore、 aastore、 bastore、 castore、 sastore - 配列にint値、 long値、 float値、 double値、 参照値、 byteまたはboolean値、 char値、 short値を格納する。
• newarray - 数値や文字の配列を作成し、その参照値をスタックに残す。
• anewarray - 参照値の配列を作成し、その参照値をスタックに残す。
• multianewarray - 多次元配列を作成し、その参照値をスタックに残す。
• arraylength - 配列の長さを求め、スタックに残す。

その他

• athrow - java.lang.Throwableのインスタンスで例外やエラーを発生させる。
• nop - 何もしない (no operation)。
• breakpoint - デバッガがブレークポイントの実装に使える命令。
• monitorenter - オブジェクトのモニタをロックする。既に他のスレッドにロックされていれば待たされる。
• monitorexit  - オブジェクトのモニタをアンロックする。他のスレッドのロック待ちは再度試行される。
• wide - ロード／ストア系命令やret、iincのインデックスを16ビットに拡張する。iincでは定数も16ビットに拡張する。

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、サン・マイクロシステムズ、IBM、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。

Windowsにも標準でJava仮想マシンが実装されていたが、マイクロソフトがサン・マイクロシステムズとの契約に反して自社仕様の拡張機能を付加したため、Windows XP以降のOSではJavaの技術使用ライセンスを失った。

また、オープンソースコミュニティの手によってIKVM.NETという共通言語ランタイム上で動作するJava仮想マシンの実装も進められている。

JITコンパイル

最初のJava仮想マシンの実装(JDK 1.0)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、ボーランドや IBMなどがリリースした。サン・マイクロシステムズの実装もJDK 1.1からJITコンパイラを搭載した。

加えて、JDK 1.2から、サン・マイクロシステムズは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相対的に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相対的により最適化される）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（Second Edition） - サン・マイクロシステムズ ISBN 489471356X
• Proposed Changes to the Specification of Method Invocation - サン・マイクロシステムズ
• Draft of the Java VM Specification, Third Edition - Alexander Buckley (blogs.sun.com)
• Java 仮想マシンのダウンロード
• Jasmin - JVMアセンブラ Jasminのホームページ