为一元非表达式生成JVM字节码

Question

假设您正在编写Java（或Java子集）编译器，并且想要为一元非运算符！E生成字节码。您已经完成了类型检查，因此知道E的类型为boolean，即它将在操作数栈上推送1或0。

其中一种方法是使用以下类似的代码（以Jasmin语法表示）：

E
ifeq truelabel
iconst_0
goto stoplabel
truelabel:
iconst_1
stoplabel:

即，如果栈上有0，则推入1，否则推入0。另一种方法是利用一个布尔值只是一个带有值为1或0的int类型，可以使用!E =（E + 1）% 2 来生成。

E
iconst_1
iadd
iconst_2
irem

有没有一种方法比另一种更有优势呢？还是完全有其他方法可行？

- Ismail Badawi

Answer 1

我曾尝试编写Java反编译器，因此我了解javac生成的代码。据我回忆，javac 1.0.x使用!E = E ? false : true，而javac 1.1使用!E = E ^ 1（按位异或）。

- Neil

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我之前没有考虑过^ 1，这绝对比第二个更好。你知道为什么从前者切换到后者的原因吗？或者为什么一开始没有使用^ 1呢？ - Ismail Badawi

实际上，我刚刚尝试了javac 1.6.0_26，它生成了第一个（除了ifne而不是ifeq），所以我猜他们又换回来了。我想我仍然在想其中一个与另一个的好处。 - Ismail Badawi

这只是一个猜测，但也许他们将这些微小的优化移动到JIT中，这可能是它们所属的地方。 - Neil

Answer 2

我不会指望以下定义在字节码级别上保持真实的情况。

true == 1

在二进制层面上（几乎与语言无关），布尔值通常被定义为：

false == 0
true != 0

javac编译器显然也遵循这个定义（我看到的所有javac字节码检查都只检查零，从不检查一）。

对于布尔值而言，使用这个定义是有意义的，而不仅仅将1视为真。C语言也是这样定义的（true只是!= 0，而不是简单的1），在汇编代码中也常常使用这种约定。所以，Java也采用了这个定义，使得可以将Java布尔值传递给其他代码而无需进行任何特殊转换。

我怀疑你的第一个代码示例（带有ifeq的那个）是实现布尔值非运算符的唯一正确方式。^1方法（与1异或）将在布尔值不严格表示为0/1时失败。任何其他int值都会导致表达式工作不正确。

- Durandal

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JVM 规范表示：“Java虚拟机使用1来表示true，使用0来表示false以编码布尔数组组件。如果Java编程语言的布尔值被编译器映射为Java虚拟机类型int的值，则编译器必须使用相同的编码方式。” http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-2.html#jvms-2.3.4 - Ismail Badawi

@isbadawi 这描述了JVM如何编码布尔数组以及Java编译器必须将布尔值编码为整数（如果它们真的这样做的话）。这与问题并不直接相关。 - user207421

@EJP，对我来说这似乎有点模糊。第一句话是关于布尔数组的，但第二句话是关于布尔值的。不过我可能是错的。 - Ismail Badawi

@isdabawi，我觉得JVM规范中的措辞非常令人困惑。首先，它对Oracle VM如何将boolean[]实现为byte[]做出了评论（但我认为这个评论不是规范的一部分）。然后，最后两句话谈到了java编译器在将boolean[]实现为int[]时应该做什么 - 这并没有真正说明VM必须如何实现boolean。事实上，我没有看到任何规定VM必须以某种方式实现它，它只给出了一些约束条件，说明它将如何解释编译器可能为boolean[]生成的某些结构。 - Durandal

对我来说，这并不令人困惑。句子“Java虚拟机使用1表示true和0表示false编码布尔数组组件”明确地涉及JVM。因此，它意味着即使特定的实现在幕后使用字节数组，也不能显示出来，即从布尔数组中读取必须产生零或一，没有其他东西。有趣的是，我最近尝试的版本并没有实现“非零即真”的规则，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以外的所有位。 - Holger

Answer 3

我听说模数运算可能非常慢。我没有来源，但考虑到加法比除法简单得多，这是有道理的。然而，如果程序计数器跳来跳去太多，那么if/else方法可能不太适用。

话虽如此，我认为尼尔的E ^ 1是最快的，但这只是一种直觉。你只需要通过一个逻辑电路传递数字，就完成了！只需要一个操作而不是一堆操作。

- Ryan Amos

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^1 明显比 div/rem 更少的计算强度，条件分支也有一定的代价（因为它们可能会导致大多数当前 CPU 架构中的分支错误预测惩罚）。更重要的问题是是否可以假设用于实现布尔值的 int 严格限制为值 0/1。 - Durandal

我相信Java，无论如何，如果你不知道的话，你可以只做(E & 1) ^ 1。 - Ryan Amos

(&1) ^ 1 将0x2转换为0x1（例如）。true == !true并不是人们真正期望的结果。我不知道有任何简单的表达式可以使int的所有32位的逻辑OR折叠成一个单独的位。布尔值要么严格受限，要么不能使用^方法。 - Durandal