JVMバイトコード

JVMバイトコードは、 Java仮想マシン（JVM）の命令セットアーキテクチャ（ISA）であり、 Javaやその他のJVM互換ソースコードがコンパイルされる言語です。^{[ 1 ]}各命令は1バイトで表現されるため、バイトコードと呼ばれ、コンパクトなデータ形式となっています。^{[ 2 ]}

仮想マシンとバイトコードの性質上、JVMバイトコードプログラムは、ソースコードからコンパイルするという長いプロセスを経ることなく、互換性のあるJVMがインストールされているどのマシンでも実行可能です。

JVMバイトコードは、実行時にJVMによって解釈されるか、ジャストインタイム（JIT）コンパイルによってマシンコードにコンパイルされ、ネイティブアプリケーションとして実行されます。

JVMバイトコードはクロスプラットフォームのソフトウェア互換性とセキュリティのために設計されているため、JVMバイトコードアプリケーションはさまざまなハードウェアおよびソフトウェア構成で一貫して動作する傾向があります。^{[ 3 ]}

一般的に、JavaプログラマーはJVM バイトコードを理解する必要も、それを認識する必要もありません。しかし、IBM developerWorks 誌で示唆されているように、「バイトコードと、 Java コンパイラによって生成される可能性のあるバイトコードを理解することは、アセンブリ言語の知識がCまたはC++プログラマーに役立つのと同様に、Java プログラマーに役立ちます。」^{[ 4 ]}

バイトコードは、データ操作、制御転送、オブジェクトの作成と操作、メソッド呼び出しなど、さまざまな命令タイプで構成されており、これらはすべてJavaのオブジェクト指向プログラミングモデルに不可欠な要素です。^{[ 1 ]}

JVMはスタックマシンとレジスタマシンの両方です。メソッド呼び出しの各フレームには、「オペランドスタック」と「ローカル変数」の配列があります。 ^{[ 5 ] : 2.6 [ 2 ]}オペランドスタックは、計算にオペランドを渡したり、呼び出されたメソッドの戻り値を受け取るために使用されます。一方、ローカル変数はレジスタと同じ目的で使用され、メソッド引数を渡すためにも使用されます。コンパイラによって計算されるオペランドスタックとローカル変数配列の最大サイズは、各メソッドの属性の一部です。^{[ 5 ] : 4.7.3}それぞれは、0から65535まで独立してサイズを設定できます。各値は32ビットです。64ビットlongのdouble型は、2つの連続するローカル変数^{[ 5 ] : 2.6.1}（ローカル変数配列では64ビットアラインメントされている必要はありません）またはオペランドスタックの1つの値（スタックの深さでは2つの単位としてカウントされます）を占有します。^{[ 5 ] : 2.6.2}

以下のJavaコードを考えてみましょう。

outer : for ( int i = 2 ; i < 1000 ; i ++ ) { for ( int j = 2 ; j < i ; j ++ ) { if ( i % j == 0 ) continue outer ; } System . out . println ( i ); }

上記のJavaコードがメソッド内に記述されていると仮定すると、Javaコンパイラは上記のJavaコードを以下のようにバイトコードに変換する可能性があります。

0 : iconst_2 1 : istore_1 2 : iload_1 3 : sipush 1000 6 : if_icmpge 44 9 : iconst_2 10 : istore_2 11 : iload_2 12 : iload_1 13 : if_icmpge 31 16 : iload_1 17 : iload_2 18 : irem 19 : ifne 25 22 : goto 38 25 : iinc 2, 1 28 : goto 11 31 : getstatic #84; //フィールドjava/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream; 34 : iload_1 35 : invokevirtual #85 ; // メソッド java/io/PrintStream.println:(I)V 38 : iinc 1, 1 41 : goto 2 44 : return

Java仮想マシンをターゲットとし、JVMバイトコードを生成する最も一般的な言語はJavaです。当初は、 JavaソースコードをJVMバイトコードにコンパイルするコンパイラはSun Microsystemsのjavacコンパイラのみでしたが、現在ではJVMバイトコードのすべての仕様が利用可能になったため、他の企業もJVMバイトコードを生成するコンパイラを提供しています。他のコンパイラの例としては、以下のようなものがあります。

• Java用Eclipseコンパイラ（ECJ）
• Jikesは、JavaからJVMバイトコードにコンパイルするツールです（IBMが開発し、 C++で実装されています）。
• Espressoは、JavaからJVMバイトコードにコンパイルします（Java 1.0のみ）。
• GNU Compiler for Java (GCJ) は、Java から JVM バイトコードにコンパイルします。ネイティブマシンコードへのコンパイルも可能で、バージョン 6 まではGNU Compiler Collection (GCC)の一部でした。

一部のプロジェクトでは、JVMバイトコードを手動で記述できるようにJavaアセンブラを提供しています。アセンブリコードは、例えばJava仮想マシンをターゲットとするコンパイラなどによって、マシンによって生成される場合もあります。代表的なJavaアセンブラには以下のようなものがあります。

• Jasminは、Java仮想マシン命令セットを使用して、アセンブリ言語のようなシンプルな構文で記述されたJavaクラスのテキスト記述を受け取り、Javaクラスファイルを生成します^{[ 6 ]。}
• Jamaicaは、Java仮想マシン用のマクロアセンブリ言語です。クラスまたはインターフェースの定義にはJava構文が使用されます。メソッド本体はバイトコード命令を使用して指定されます。 ^{[ 7 ]}
• Krakatau Bytecode Tools には現在、Java クラスファイルの逆コンパイラと逆アセンブラ、およびクラスファイルを作成するアセンブラの 3 つのツールが含まれています。^{[ 8 ]}
• Lilacは、Java仮想マシン用のアセンブラおよび逆アセンブラです。^{[ 9 ]}

その他にも、Java仮想マシンをターゲットとする様々なプログラミング言語向けのコンパイラが開発されている。例えば、以下のようなものがある。

• コールドフュージョン
• JRubyとJythonは、RubyとPythonをベースにした2つのスクリプト言語です。
• Apache Groovyは、オプションで型指定可能な動的な汎用言語であり、静的型付けと静的コンパイル機能を備えています。
• Scalaは、オブジェクト指向プログラミングと関数型プログラミングをサポートする、型安全な汎用プログラミング言語です。
• JGNATとAppletMagicは、 Ada言語からJVMバイトコードにコンパイルします。
• C言語からJavaへのバイトコードコンパイラ
• Clojureは、 Lispファミリーに属する関数型で不変な汎用言語であり、並行処理に重点を置いている。
• Kawaは、 Lispの方言でもあるScheme言語の実装である。
• ミドルパスカル
• JavaFX Scriptコードは JVM バイトコードにコンパイルされます
• Kotlinは、型推論機能を備えた静的型付けの汎用言語です。
• Object Pascalのソースコードは、 Free Pascal 3.0+コンパイラを使用してJVMバイトコードにコンパイルされます。 ^{[ 10 ] [ 11 ]}

現在、JVMバイトコードを実行できるJava仮想マシンは、無料製品と商用製品の両方を含め、数多く存在します。仮想マシン内でバイトコードを実行することが望ましくない場合は、開発者はGNU Compiler for Java （GCJ）などのツールを使用して、Javaソースコードまたはバイトコードを直接ネイティブマシンコードにコンパイルすることもできます。一部のプロセッサは、JVMバイトコードをネイティブに実行できます。このようなプロセッサはJavaプロセッサと呼ばれます。

Java仮想マシンは、動的型付け言語をある程度サポートしています。既存のJVM命令セットのほとんどは静的型付けです。つまり、メソッド呼び出しのシグネチャはコンパイル時に型チェックされ、この決定をランタイムに延期したり、別の方法でメソッドディスパッチを選択したりするメカニズムはありません。 ^{[ 12 ]}

Java Specification Request ( JSR ) 292 ( Supporting Dynamically Typed Languages on the Java Platform ) ^{[ 13 ]}invokedynamicでは、JVM レベルで新しい命令が追加され、既存の静的型チェック命令の代わりに動的型チェックに依存するメソッド呼び出しが可能になりました。Da Vinci Machineは、動的言語をサポートすることを目的とした JVM 拡張機能をホストするプロトタイプの仮想マシン実装です。Java Platform, Standard Edition (JSE) 7 をサポートするすべての JVM には、このオペコードも含まれています。invokevirtualinvokedynamic

• バイトコードエンジニアリングライブラリ
• 共通中間言語（CIL）は、JVMバイトコードに対抗するマイクロソフトの技術である。
• Javaバックポートツール
• Javaクラスファイル
• Java仮想マシン
• Jスティック
• ObjectWeb ASM
• JVMバイトコード命令一覧
• JVM言語一覧

• OracleのJava仮想マシン仕様
• Java仮想マシン用のプログラミング言語
• バイトコードビジュアライザー – バイトコードビューアおよびデバッガ（無料のEclipseプラグイン）
• AdaptJ StackTrace – スタック、ローカル変数、実行フローを完全に制御できるバイトコードレベルのデバッグ
• Java Class Unpacker – Total Commander 用プラグイン。クラスファイルを圧縮アーカイブとして開き、フィールドとメソッドをファイルとして表示できます。バイトコードは F3 キーでテキストとして表示できます。