JVM を読む | JVM をハックする その４ - 算術演算および定数プール編
前回の続きです。前回はこちらから。
このシリーズは，JVM の仕様書を読み解くためのガイドとして構成しています。
JVM の仕様書は非常に長大で難解な内容が多いため，各セクションごとに要点をまとめていきます。
また，JVM の内部構造や動作原理を知ることで，Java のパフォーマンスやセキュリティ，メモリ管理の仕組みを深く理解する試みです。
シリーズはこちらから。
第三章 Compiling for the Java Virtual Machine
JVM の仕様書の第３章は「Java Virtual Machine のためのコンパイル」です。
この章では，Java ソースコードを JVM が実行可能なバイトコードに変換するためのコンパイル方法について説明しています。
今回からは，実際に JVM の命令と，その動作を理解するための具体的な例を見ていきましょう。
この記事では，定数やローカル変数の扱い，さらには制御変数としての使い方について学びます。
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3.2 算術演算（› 3.2 Arithmetic）
JVM は通常，オペランド・スタックを使用して算術演算を行います（唯一の例外は，ローカル変数の値を直接操作する iinc 命令だけです）。
以下の align2grain メソッドは， int 型の引数 x と y を受け取り， x を y で指定された２のべき乗に切り上げた値を返すものです。
int align2grain(int i, int grain) {
return ((i + grain - 1) & ~(grain - 1));
}
これを JVM バイトコードに変換すると，以下のようになります。
int align2grain(int i, int grain) {
// i + grain - 1
iload_1 // 引数 i の値をスタックに積む
iload_2 // 引数 grain の値をスタックに積む
iadd // これらを足し算してスタックに積む
iconst_1 // 定数 1 をスタックに積む
isub // これらを引き算した結果をスタックに積む
// grain - 1
iload_2 // 引数 grain の値をスタックに積む
iconst_1 // 定数 1 をスタックに積む
isub // これらを引き算した結果をスタックに積む
// ~(grain - 1)
iconst_m1 // 定数 -1 をスタックに積む
ixor // これらの排他的論理和（XOR）を取って結果をスタックに積む
iand // これらの論理積（AND）を取って結果をスタックに積む
ireturn // スタックの一番上の値を返す
}
javap スタイルの命令例
Method align2grain(int, int)
0 iload_1 // 引数 i の値をスタックに積む
1 iload_2 // 引数 grain の値をスタックに積む
2 iadd // これらを足し算してスタックに積む
3 iconst_1 // 定数 1 をスタックに積む
4 isub // これらを引き算した結果をスタックに積む
5 iload_2 // 引数 grain の値をスタックに積む
6 iconst_1 // 定数 1 をスタックに積む
7 isub // これらを引き算した結果をスタックに積む
8 iconst_m1 // 定数 -1 をスタックに積む
9 ixor // これらの排他的論理和（XOR）を取って結果をスタックに積む
10 iand // これらの論理積（AND）を取って結果をスタックに積む
11 ireturn // スタックの一番上の値を返す
以下の図は，この一連の命令の流れを示しています。
算術演算をする命令のオペランド（命令の引数）はオペランド・スタックから取り出されて，さらにその演算結果はオペランド・スタックに積まれます。
このことから，或る演算命令の演算結果を，別の算術命令のオペランドとして（ローカル変数にいれたりせずにとも）使用できることが分かります。
つまり，複数の算術演算を連続して行う場合は，ただ連ねるだけで（副次的に入れ子構造のようになって）その結果を得られるのです。
例えば ~(grain - 1) の部分は，以下の命令で計算できます：
// grain - 1 を計算する
0: iload_2 // grain をスタックに積む
1: iconst_1 // 1 をスタックに積む
2: isub // これらを引き算した結果（grain - 1）をスタックに積む
// ~(grain - 1) を計算する
3: iconst_m1 // -1 をスタックに積む
4: ixor // これらを排他的論理和（XOR）した結果（~(grain - 1)）をスタックに積む
以下の図は，この一連の命令の流れを示しています。
最初の grain - 1 は，ローカル変数２の内容と，iconst_1 命令で生成した定数 1 を引き算して得られます。
これらのオペランドはオペランド・スタックに積まれ，isub 命令で引き算されます。
そしてその結果は再度オペランド・スタックに積まれます。
ここで得られた grain - 1 の値は，次の iconst_m1 命令で生成した定数 -1 と排他的論理和（XOR）をとるためにすぐに使用されます。
（~x == -1 ^ x という性質を利用しています。）
同様に，この XOR の結果は後続の iand 命令のオペランドとなります。
この考え方の利用
この考え方は，JVM 命令の随所で利用されており，例えばメソッド呼び出しやフィールドアクセスなどでも同様に利用できます。
例えば以下の getObjectVoice メソッドは，Object クラスの toString メソッドを呼び出してその結果を返します。
String getObjectVoice() {
Object obj = new Object();
return obj.toString();
}
これを JVM バイトコードに変換すると，以下のようになります。
String getObjectVoice() {
new java/lang/Object
dup
invokespecial java/lang/Object-><init>()V
invokevirtual java/lang/Object->toString()Ljava/lang/String;
areturn
}
この例では，new 命令で Object クラスのインスタンスを生成し，その参照をオペランド・スタックに積みます。
次に dup 命令でその参照を複製し，オペランド・スタックに再度積みます。
複製した参照は invokespecial 命令でコンストラクタを呼び出すために使用されます。
そして元の参照は invokevirtual 命令で toString メソッドを呼び出すために使用されます。
このように，JVM の命令はオペランド・スタックを利用して，算術演算やメソッド呼び出しを効率的に行います。
3.5 実行時定数プールにアクセスする（› 3.5 Accessing the Run-Time Constant Pool）
多くの数値定数，オブジェクトや，フィールド，さらにはメソッドは，現在のクラスの実行時定数プールに格納されており，ここにアクセスして使用します。
int 型や，long 型，float 型，double 型の値，および文字列への参照は，ldc 系の命令（ldc や, ldc_w, ldc2_w）を使って取得できます。
（オブジェクトへの参照は後述します。）
ldc 命令と ldc_w 命令は，カテゴリ１の定数（double 型または float 型以外の定数）を取得するために使用されます（文字列の取得にも使用されます）。
通常は ldc 命令を使用しますが，定数プールの項目が非常に多く，インデックスが 255 を超える場合には ldc_w 命令を使用します。
一方で ldc2_w 命令は，カテゴリ２の定数（double 型または long 型の定数）を取得するために使用されます。
以下のように，いずれの場合もコンパイルは簡単です。
void useManyNumeric() {
int i = 100;
int j = 1000000;
long l1 = 1;
long l2 = 0xffffffff;
double d = 2.2;
// これらの値を使用する部分は省略します。
}
このコードを JVM バイトコードに変換すると，以下のようになります。
なお，以下のコードは説明するコードの性質から JAL 言語ではなく，単純に javap コマンドで得られる出力の結果を載せています。
Method void useManyNumeric()
0 bipush 100 // byte 型の範囲に収まる値を扱う場合は bipush 命令を使う
2 istore_1
3 ldc #1 // 巨大な整数値（1,000,000）を扱う場合は ldc 命令を使う
5 istore_2
6 lconst_1 // 小さい long 値（0, 1）を扱う場合は lconst_<i> 命令を使う
7 lstore_3
8 ldc2_w #6 // 大きい long 値（0xffff_ffff）を扱う場合は ldc2_w 命令を使う
// なお，どのような long の値もldc2_w 命令で扱えます
11 lstore 5
13 ldc2_w #8 // double の定数（2.200000）を扱う場合は ldc2_w 命令を使う
// なお，どのような double の値も ldc2_w 命令で扱えます
16 dstore 7
// これらの値を使用する部分は省略します。
まとめ
いかがでしたか？
今回の記事では，JVM の算術演算と定数プールへのアクセス方法について学びました。
さらにオペランド・スタックを利用したあらゆる操作を効率化する方法についても紹介しました。
次回は，制御変数の様々な扱い方について学びます。
では，よいバイト・コードライフを！
次回リンク
参考文献＆リンク集
- Lindholm, T., Yellin, F., Bracha, G., & Smith, W. M. D. (2025). The Java® Virtual Machine Specification: Java SE 24 Edition.
- Lindholm, T., & Yellin, F. (1999). The Java™ Virtual Machine Specification (2nd ed.). Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-43294-7
- Otavio, S. (2024). Mastering the Java Virtual Machine. Packet Publishing. ISBN 978-1-835-46796-1
- Godfrey, N., & Koichi , M. (2010). デコンパイリング Java ― 逆解析技術とコードの難読化 ISBN 978-4-87311-449-1
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