原子类型

Java 虚拟机支持的原子数据类型是数字类型（numeric types）、布尔类型(boolean type)（第 2.3.4 节）和 returnAddress 类型（第 2.3.3 节）。

数字类型由整数类型（integral types）（第 2.3.1 节）和浮点类型（floating-point types）组成（§2.3.2）。

整数类型包括：

  • byte，它的值时8位有符号二进制补码整数，默认值为0。
  • short，它的值时16位有符号二进制补码整数，默认值为0。
  • int，它的值时32位有符号二进制补码整数，默认值为0。
  • long，它的值时64位有符号二进制补码整数，默认值为0。
  • char，它的值时16位无符号整数表示的在基本多文种平面Unicode码点（code point），使用UTF-16编码，默认值是空码点（\u0000）。

浮点类型包括：

  • float它的值与IEEE 754 binary32格式的相对应，默认值是正数0（+0）
  • double，它的值与IEEE 754 binary64格式的相对应，默认值是正数0（+0）

boolean类型的值编码真值是true和false，默认值是false。

第一版的The Java Virtual Machine Specification没有将boolean类型视为一种Java虚拟机类型。然而，boolean值在Java虚拟机中有受限的支持。第二版的The Java Virtual Machine Specification将boolean视为一种类型来阐明这个问题。

returnAddress 类型的值是指向 Java虚拟机指令的操作码的指针。 在原子类型中，只有 returnAddress 类型不是直接与 Java 编程语言类型相关联。

整数类型和值

Java虚拟机的整数类型的值为：

  • 对于byte，范围为-128~127（\(-2^7\)~\(2^7-1\)），包含-128和127
  • 对于short，范围为-32768~32767（\(-2^15\)~\(2^15-1\)），包含-32768和32767
  • 对于int，范围为-2147483648 ~2147483647（\(-2^31\)~\(2^31-1\)），包含-2147483648和2147483647
  • 对于long，范围为-9223372036854775808~9223372036854775807（\(-2^63\)~\(2^63-1\)），包含-9223372036854775808和9223372036854775807
  • 对于char，范围为0~65535，包含0和65535

浮点类型和值

浮点类型有float和double，它们在概念上分别和IEEE 754 中的32位binary32和64位binary64浮点数格式的值和操作相关联(JLS§1.7)。

在Java SE 15及之后的版本中，Java虚拟机使用IEEE 754的2019版标准。在Java SE 15之前，Java虚拟机使用的是1985版的IEEE 754标准，其中binary32格式被称为单精度（single format），binary64格式被称为双精度（double format）。

IEEE 754不仅包括由符号和绝对值（magnitude）组成的正数和负数，还有正零和负零，正无穷大和负无穷大(infinities)，和特殊的非数值的值(Not-a-Number)(以下简称NaN)。NaN值为用于表示某些无效运算的结果，如0除以0。float和double类型的NaN常量被预定义为Float.NaN和Double.NaN。

有限的非零的浮点数类型的值可以被表示为\(s\cdot m \cdot 2^{(e-N+1)}\) ，这里的：

  • \(s\) 是 +1 或者 -1，
  • \(m\) 是一个小于 \(2^N\) 的正整数，
  • \(e\) 是一个整数，满足\(E_{min}\le e \le E_{max}\) ，其中 \(E_{min}=-(2^{K-1}-2)\) ，\(E_{max}=2^{K-1}-1\) ，
  • \(N\) 和 \(K\) 是依赖于类型的参数

有些值可以以多种方式表示为这种形式。例如，假设一个浮点类型的值 \(v\)可以用确定的\(s,m,e\) 表示成这种形式，恰好其中\(m\)是偶数，\(e\)小于\(2^{K-1}\)， 则可以产生该值的另一种表示方式：\(m\)减半，\(e\)增加1。

如果\(m \ge 2^{N-1}\)，这种形式的表示称为normalized；否则，被称为subnormal。如果一个浮点类型的值不能够以\(m \ge 2^{N-1}\)这种形式表示，则称该值为非规格数(subnormal number)，因为它的绝对值（magnitude）低于最小的规格数（normalized value）。(译者注：具体的术语参考wiki，这里翻译来自https://www.jianshu.com/p/43b1b09f27f4)

float和double中\(N\) 和 \(K\) 参数的约束（以及有它们衍生的 \(E_{min}\) 和 \(E_{max}\)）总结在表2.3.2-A中：

表2.3.2-A. 浮点数参数
参数 float double
N 24 53
K 8 11
E m a x +127 +1023
E m i n -126 -1022

除了NaN，浮点值是有序的（ordered）。从小到大进行排列，分别是负无穷，负有限非零值，正零和负零，正有限非零值，正无穷。

IEEE 754允许它的binary32和binary64浮点格式有多个不同格式的NaN。然而，Java SE平台通常将一个给定的浮点类型的NaN值看作为一个单一的规范值（a single canonical value），因此，该规范通常引用任意NaN，就像引用一个规范值。

在IEEE 754下，用non-NaN参数进行浮点操作可能会产生NaN结果。IEEE 754指定了一组NaN位模式，但没有强制要求哪个特定的NaN位模式被用来表示NaN结果；这是留给了硬件体系结构。程序员可以创建具有不同位模式的NaN编码，例如，回溯性诊断信息（A programmer can create NaNs with different bit patterns to encode, for example, retrospective diagnostic information.）。这些NaN值可以是使用Float.intBitsToFloat和Double.longBitsToDouble创建，float对应Float.intBitsToFloat，double对应Double.longBitsToDouble。相反，要检查NaN值的位模式，float和double类型可以分别使用Float.floatToRawIntBits和Double.doubleToRawLongBits方法。

正0和负0比较起来是相等的，但是还有其他的运算可以区分它们；例如，用1.0除以0.0得到正无穷，但是用1.0除以-0.0得到负无穷。

NaN是无序的（unordered），因此，如果操作数有一个或两个都是NaN，数值比较和数值相等的测试都为false。特别的，数值相等性测试中值与自身的数值相等的结果为false，当且仅当该值为NaN。数值的不等性测试中，如果任何一个操作数是NaN，测试结果为true。

returnAddress类型和值

returnAddress类型被用于Java虚拟机的jsr、ret和jsr_w指令(§jsr、§ret、§jsr_w)。returnAddress类型的值是指向Java虚拟机指令操作码的指针。不像数字型的原子类型，returnAddress类型没有和Java编程语言的任何类型相对应，而且不能够被正在运行的程序修改。

boolean类型

虽然 Java 虚拟机定义了boolean类型，但提供给其的支持非常有限。 没有单独的 Java 虚拟机指令专用于对布尔值的操作。 相反，Java 编程语言中操作在boolean值上的表达式会被编译成使用Java虚拟机的int数据类型。

Java 虚拟机确实直接支持boolean数组。 它的newarray指令（§newarray）允许创建boolean数组。 boolean类型的数组可以使用byte数组的baload和bastore指令来实现访问和修改（§baload, §bastore）。

在 Oracle 的 Java 虚拟机实现中，Java编程语言的boolean数组被编码成Java虚拟机的byte数组，每个boolean元素使用8位（8 bits）来表示。

Java虚拟机对boolean数组进行编码时，使用1表示true，使用0表示false。Java编程语言boolean值被编译器映射到Java虚拟机的int类型的地方，编译器必须使用相同的编码。