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【手書きで学ぶ JVM 入門】 第１回：Jaspera で最初の一歩

最新の JVM アセンブラ用 Web IDE「Jaspera」を使って，バイト・コードを手書きしてみましょう。JVM に直接命令を与えることで，Java の世界をより深く理解できます。今回は Jaspera の基本的な使い方から。

　こんにちは。​yamad です。

　​私は​つい​先日​「セキュリティ・キャンプ ミニ 2026 ​（愛知開催）」の​「バイト・コードを​手書きして​君も​ Java 仮想マシンに​なろう！」と​いう​講義に​参加してきました​（この​話は​また​今度詳しく​書こうと​思います）。​ 今回は，​そこで​生まれた​思わぬ​副産物に​ついて​お話いたします。

　皆さんは，​Java の​プログラムが​どのように​動いているのか，​気に​なった​ことは​ありませんか？​ 　普段書いている​ Java の​ソース・​コードは，​コンパイルすると​「バイト・コード」と​いう​命令列に​なり，​Java 仮想マシン（JVM）で​実行されます。​ 　と​いう​ことは，​その​命令を​自分で​書けば，​JVM に​直接指示を​出せるわけです。

　​今回から​始める​「手書きで​学ぶ JVM 入門」では，​実際に​バイト・コードを​書いて​動かしながら，​JVM の​仕組みを​覗いていこうと​思います。​ まずは，​その​ための​道具​「Jaspera」を​紹介しましょう。

IMPORTANT

　な​お，​筆者は​怠惰でありますから，​次回が​いつに​なるかは​分かりません。​ 　気に​なることが​あったら，​更新を​待たずに，​どんどん​自分で​調べたり試したりしてみてください。​ 　筆者を​置いて​先に​進んでしまっても，もちろん構いませんよ！

Jaspera に​ついて#

Jaspera のスクリーンショット

　Jaspera とは，JVM バイト・コードを​手書き・実行する​ための​最新 Web IDEです。​ バイト・コードを​手書きする​ための様々な​コード支援機能が​備わっており，​バイト・コードを​学ぶのに​最適な​環境なのであります。

　ここで​いう，​コード支援機能には，​以下のような​ものが​あります:

  • 構文ハイライト: バイト・コードの​命令や​ラベル，​コメントなどを​色分けして​表示します。

  • コード補完: バイト・コードの​命令や​ラベルを​補完してくれます。

  • 高度な​デバッガ: ブレークポイントを​設定して，​ステップ実行や​変数の​値の​確認が​できます。
    ステップ・イン，​ステップ・​オーバー，​ステップ・​アウトなどの​操作も​可能です。

  • 逆アセンブラ: クラス・ファイルを​逆アセンブルして，​有効な​バイト・コードを​表示します。

    NOTE

    デバッガと​連携し，​例えば​標準ライブラリ・クラスへの​ステップ・イン時には​逆アセンブル結果で​表示され，​ ステップ実行が​可能です。

    TIP

    クラス・ファイルが​格納された​ jar ファイルや​ zip ファイルを​ D&D すると，​すべて​逆アセンブルして​表示されます。​一部​ファイル，​一部​命令列の​編集後，​まとめて​ jar/zip ファイルで​保存する​機能も​あります。

  • 命令辞書: バイト・コードの​命令の​一覧を​表示し，​命令の​意味や​オペランドの​種類を​確認できます。
    スタックや​ローカル変数の​動きも​視覚的に​分かりやすく​表示されます。

  • フレーム可視化: コード上の​命令列を​マウスで​ホバーすると，​その​命令に​よって​発生する​フレーム状態の​遷移を​確認できます。
    スタックや​ローカル変数の​状態を​視覚的に​確認できるので，​バイト・コードの​理解が​深まります。

  • 多言語対応: 上記の​すべての​機能と​ IDE の​ UI は，​日，​英，​中，​仏，​西，​伊，​羅​（ラテン語）に​対応しています。

  • 豊富な​テーマ: IDE の​テーマは，​ダーク系，​ライト系，​カラフル系など，​豊富な​テーマを​用意しています。

  • オフライン実行: あらかじめ端末に​ IDE と​実行環境​（約 60MB）を​保存しておく​ことで，​インタネットに​アクセスできない​環境であっても​ IDE を​使用できます。

　太古の​時代から，​バイト・コードを​手書きする​ためには​ Jasmin のような​専用アセンブラを​ローカル環境に​構築して，​いちいちコンパイルして​実行する​必要が​ありました。​ しかし，​Jaspera では​ブラウザだけで​記述から​実行，​デバッグまで​完結できます。

Jaspera が​生まれた​経緯#

　私の​講義では，​受講生の​皆さんに​ JAL 言語を​書いて​もらう​予定でした。​ JAL は​ JVM バイト・コード用の​新しい​アセンブリ言語で，​最新の​ JVM で​動作し，​文法も​ Java 話者と​親和性が​高いと​いう​特徴が​あります。

　JAL は​ Javasm プラグインを​用いて​ IntelliJ IDEA と​連携する​ことで，​IDE に​よる​支援を​受けながら​書ける​ものであります。​ 受講生の​皆さんにも，​当然​これを​使って​もら​おう，と​講義の​３日ほど​前まで​考えて​おりました。

　事前学習と​して​ IDEA の​環境構築を​して​もらったのですが，​その​過程で，​どうやら​最新の​ IntelliJ IDEA は​（あまりにも​リッチすぎて）​当日持ち込んで​もらう​ラップトップで​使うのは​難しい，と​いう​ことが​分かりました。​ プロジェクトを​開くのに​数十秒かかってしまいますし，​１文字打つごとに​小さな​フリーズが​発生してしまうのです。

　​これは​いけない，と​思い色々​考えた​結果，​Web IDE に​まる​ごと​作り変えてしまう​選択肢に​気が​付きました。

　急遽 GPT-6 Astra に​ Javasm の​ソース・​コードを​丸々​投げて​頼んで​みた​ところ，​それっぽい​ものが​ 40 分で​出来た​ことですから，​そこから​さらに​改良を​重ねて，​最終的に​今の​ Jaspera が​完成しました​（ここまで​一晩です）。

　実際に​講義で​用いてみた​ところ，​受講生・チュータの​方々から​好評を​いただき，​作った​甲斐が​あったなぁ，と​いう​ところであります​（実際に​コードを​書いたのは​ AI ですけどね😂）。

Jaspera を​使ってみよう！#

　さて，​ここからが​本題です。

　Jaspera を​使う​ためには，​まず​ https://jaspera.yamad.jp に​アクセスしてください。​ 読み込みが​終わると，​テーマ設定画面が​表示されますから，​お好きな​テーマを​選びましょう。

テーマ設定画面。VS Dark が選ばれている。 ​（言語は​端末の​設定から​自動で​選ばれます。​もし意図した​ものと​異なる​場合は​ Alt + V を​押し，​一番下の​項目から​設定できます。​）

まずは​ハロー・​ワールド！#

メイン・パネル

　Jaspera を​開くと，​左の​「ファイル・ツリー」に​サンプル・ソースが​いく​つか​表示されます。​ HelloWorld.jal が​選択され，​「エディタ」に​その​ソース・​コードが​表示されていると​思います。

　まずは​実行してみましょう。​右上の​「実行」ボタンを​押下するか，Ctrl + Enterキーを​押下すると​現在開かれている​コードが​実行されます:

こんにちは，JAL!

命令を​理解する​: 命令辞書#

　特に​ JVM バイト・コードに​まだ​慣れていない方は，​或る​命令が​何を​するのか全く​分からないでしょう。​ そこで​ Jaspera には​「命令辞書」が​搭載されており，​選択した​命令の​解説が​ことこまかに​表示されます。​ 右タブ​「命令辞書」から​開いてみましょう。

命令辞書を開いた画面。iadd の解説が表示されている。

　命令辞書には，​命令の​簡単な​説明と​使用例に​加えて，​「実行すると​フレームが​どうなるか」が​図で​表示されます。​ （フレームの​説明は​後述します）

スタックと使用例

TIP

　こんな​感じで，​エディタ内の​命令を​クリックしても，​命令辞書が​開きます！​ GIF

命令を​理解する​: フレーム可視化#

　エディタ内の​命令を​ホバーする​ことで，​その​命令が​フレームに​どう​影響するのかを​把握できます。

NOTE

　フレーム とは，​メソッドを​実行する​ための​専用の​作業領域の​ことです。​主にオペランド・スタックとローカル変数配列 で​構成されています。​オペランド・スタックとは，​命令が​扱う​データの​入出力に​使用されるスタックです。
ほとんどの​命令は，​オペランド・スタックに​値を​出し入れする​もので，​一方で​ごく​一部の​命令は​ローカル変数配列の​データを​扱います。​オペランド・スタックを​用いて​計算を​行い，​一連の​計算結果を​ローカル変数配列に​入れて​保存する，と​いう​考え方で​説明できます。

ホバーしてみた

　invokevirtual 命令を​ホバーしてみると，PrintStream オブジェクトと​引数たる​文字列が​スタックから​取り出されている​ことが​一目で​わかります​（厳密には，​それぞれの​オブジェクトへの​参照が​積まれており，​それが​取り出されます）。

命令を​理解する​: デバッガを​使う#

　デバッガを​使うと，​ブレーク・ポイントを​用いて​処理を​止めたり，ステップ実行を​用いて​命令を​１つ​１つ​実行できて​便利です。

デバッグボタン

　​「HelloWorld」を​開き，​右上の​「実行」ボタン右側の​矢印を​押下し，​開いた​メニューに​ある​「デバッグ」を​押下します。

デバッグ中画面

　そうすると​デバッグが​始まり，invokevirtual 命令に​あるブレーク・ポイントで​実行が​一時​停止されます。

NOTE

ブレーク・ポイントとは，​プログラムの​実行を​指定行数・処理で​一時停止する​機能です。​ 一時停止中に​変数を​覗いたり，​思考を​したりして​バグの​原因を​突き止めるのに​使用します。​ Jaspera では，​行番号と​命令オフセットの​間を​クリックすると，​設置・​削除が​できます。​ ブレーク・ポイント

　デバッグ中には，​画面下部の​デバッグ・メニューが​使用できます；

デバッグメニュー

　左から​次の​操作に​対応します:

  • 再開: ブレーク・ポイント等で​一時停止した​処理を​再開します。
  • ステップ・​オーバ: 次の​命令まで​実行を​進めます。​メソッドを​呼び出す​場合は，​呼び出し先の​処理を​まとめて​実行し，​戻ってきた​ところで​一時停止します。
  • ステップ・イン: メソッドを​呼び出す命令で​一時停止している​とき，​その​メソッドの​中に​潜って​一時​停止します。
  • ステップ・​アウト:現在の​メソッドから​戻るまで​実行を​進め，​呼び出し元で​一時停止します。
  • 停止: ​プログラムの​実行を​停止します。
  • ブレーク・ポイントを​無視: 設置された​すべての​ブレーク・ポイントを​無視して​実行します​（トグル）。

ステップ・​オーバ#

　命令を​１つ​１つ​実行して，​状態遷移を​見てみましょう。​ ブレーク・ポイントで​一時停止した​状態で，​メニュー左から​２番目の​ボタンを​押下すると​⋯⋯

ステップ・オーバ

　このように，​ブレーク・ポイントで​一時停止していた​命令が​実行され，​その​次の​命令で，また​一時​停止します。​ 右側の​「デバッグ」​画面に​表示されている​フレームの​状態も​変わっている​ことが​分かります。

　ステップ・​オーバ 機能を​使用すると，​命令を​１つ​１つ​確認しながら実行できるのです。

ステップ・イン/ステップ・​アウト#

　ステップ・​インは，​次の​命令まで​実行を​進める​操作です。​ メソッドを​呼び出す命令で​使用すると，​呼び出し先の​メソッドに​入って​一時​停止します:

ステップ・イン

NOTE

ステップ・インを​使用すると，​呼び出された​メソッドの​ JAL コードが​表示されます。​ それが​標準ライブラリや​外部の​クラス・ファイルであれば，自動で​ JAL コードへ​逆アセンブルされます。

　​潜った​メソッドから​復帰したい​場合は，ステップ・​アウトを​使いましょう。

ステップ・アウト

　このように，​現在の​メソッドから​戻るまで​実行が​進み，​呼び出し元で​再び一時​停止します。

プログラムを​書いてみよう！#

　さて，​使い方が​分かった​ところで，​自分でも​命令を​書いてみましょう。​ 今回は，​2 + 3 を​計算して，​その​結果を​表示してみます。

　HelloWorld.jal を​開き，main メソッドの​中身を​次のように​書き換えてください。​ クラスや​メソッドの​宣言は，​そのままで​大丈夫です。

getstatic java/lang/System->out:Ljava/io/PrintStream;
// ...
// ...
iadd
invokevirtual java/io/PrintStream->println(I)V
return

　さて，​このままでは​ iadd 命令が​取る​値が​スタックに​積まれていません。​ コメントの​部分に​何らかの​命令を​入れてあげると​良さそうです。

　他の​ example や​ 命令辞書とにらめっこしながら，​ぜひぜひ実装してみてくださいね！​ ​（答え合わせは​また​今度）

さい​ごに#

今回は，​JVM バイト・コードを​ブラウザで​手書き・実行できる​「Jaspera」を​紹介しました。​ 講義の​ために​急遽作った​ものではありますが，​せっかくなので，​受講生以外の​皆さんにも​使っていただければ​嬉しいです。

　普段 Java を​書いていると，​スタックに​値を​積んだり，​そこから​取り出したりする​処理を​意識する​機会は​あまりないかもしれません。​ 自分で​命令を​書いて，​１つずつ​実行してみると，​いつもの​プログラムが​少し​違って​見えてくると​思います。

　皆さんも，​ぜひバイト・コードを​手書きして​ Java 仮想マシンの​気持ちを​味わってみてください。

　では，​良き Java 仮想マシン・ライフを！