【JVM学习笔记】字节码文件结构

https://www.cnblogs.com/heben/p/11468285.html  比这篇笔记更好一点

新建一个Java类

package com.learn.jvm;
 
public class MyTest1 {
    private int a = 1;
 
    public MyTest1() {
    }
 
    public int getA() {
        return this.a;
    }
 
    public void setA(int a) {
        this.a = a;
    }
}

在控制台使用javap -c进行反解析

D:\workspace-learn\common-learn\learn-classloader\target\classes\com\learn\jvm>javap -c MyTest1
警告: 二进制文件MyTest1包含com.learn.jvm.MyTest1
Compiled from "MyTest1.java"
public class com.learn.jvm.MyTest1 {
  public com.learn.jvm.MyTest1();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: aload_0
       5: iconst_1
       6: putfield      #2                  // Field a:I
       9: return
 
  public int getA();
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #2                  // Field a:I
       4: ireturn
 
  public void setA(int);
    Code:
       0: aload_0
       1: iload_1
       2: putfield      #2                  // Field a:I
       5: return
}

在控制台使用javap -verbose进行反解析

D:\workspace-learn\common-learn\learn-classloader\target\classes\com\learn\jvm>javap -verbose MyTest1
警告: 二进制文件MyTest1包含com.learn.jvm.MyTest1
Classfile /D:/workspace-learn/common-learn/learn-classloader/target/classes/com/learn/jvm/MyTest1.class
  Last modified 2019-9-4; size 473 bytes
  MD5 checksum 8dc78fb3801af3d26bc3befec9b7c5ed
  Compiled from "MyTest1.java"
public class com.learn.jvm.MyTest1
  SourceFile: "MyTest1.java"
  minor version: 0
  major version: 51
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#20         //  java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#21         //  com/learn/jvm/MyTest1.a:I
   #3 = Class              #22            //  com/learn/jvm/MyTest1
   #4 = Class              #23            //  java/lang/Object
   #5 = Utf8               a
   #6 = Utf8               I
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/learn/jvm/MyTest1;
  #14 = Utf8               getA
  #15 = Utf8               ()I
  #16 = Utf8               setA
  #17 = Utf8               (I)V
  #18 = Utf8               SourceFile
  #19 = Utf8               MyTest1.java
  #20 = NameAndType        #7:#8          //  "<init>":()V
  #21 = NameAndType        #5:#6          //  a:I
  #22 = Utf8               com/learn/jvm/MyTest1
  #23 = Utf8               java/lang/Object
{
  public com.learn.jvm.MyTest1();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: iconst_1
         6: putfield      #2                  // Field a:I
         9: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
        line 9: 4
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
               0      10     0  this   Lcom/learn/jvm/MyTest1;
 
  public int getA();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field a:I
         4: ireturn
      LineNumberTable:
        line 12: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
               0       5     0  this   Lcom/learn/jvm/MyTest1;
 
  public void setA(int);
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: iload_1
         2: putfield      #2                  // Field a:I
         5: return
      LineNumberTable:
        line 16: 0
        line 17: 5
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
               0       6     0  this   Lcom/learn/jvm/MyTest1;
               0       6     1     a   I
}

能够看到，字节码文件中是有常量池 Constant pool

注意，以上反解析得到的并不是真正的class文件的二进制内容，而是解析的结果，可以通过其他相关工具对真正的二进制内容进行查看，将会看到类似下图的结果，其中左边是真正的二进制内容

上图左侧是按照单字节分组显示的，比如CA是一个字节，FE是一个字节。（注：一个字节是8位，而一个16进制数占4位，所以一个字节是两个十六进制数组成的）

要点：

1. 使用java -verbose 命令分析一个字节码文件时，将会分析该字节码文件的魔数、版本号、常量池、类信息、类的构造方法、类中的方法信息、类变量与成员变量等信息
2. 魔数：所有.class字节码文件的前四个字节都是魔数，，魔数值为固定值：0xCAFEBABE
3. 魔数之后的4个字节代码版本号，前2个字节代表次版本号（minor version），后2个字节代表主版本号（major version），以上图为例，次版本号为0，主版本号为52，所以，该文件的版本号是1.8.0
4. 常量池（constant pool）：紧接着主版本号之后的就是常量池入口。一个Java类定义的很多信息都是由常量池来维护和描述的，可以将常量池看作是Class文件的资源仓库，比如说Java类中定义的方法与变量信息，都是存储在常量池中。常量池中主要存储两类常量：字面量与符号应用。字面量如文本字符串，Java中声明为final的常量值等，而符号引用如类和接口的全局限定名，字段的名称和描述符，方法的名称和描述符等
5. 常量池的总体结构：Java类所对应的常量池主要由“常量池数量”与“常量池数组”这两部分共同构成。常量池数量紧跟在主版本号后面（也就是第9个字节开始），占据2个字节；常量池数组则紧跟在常量池数量之后。常量池数组与一般的数组不同的是，常量池数组中不同的原素的类型、结构都是不同的，长度当然也就不同，但是，每一种元素的第一个数据都是一个u1类型，该字节是个标志位，占据1个字节。JVM在解析常量池时，会根据这个u1类型来获取元素的具体类型。以上图为例，第9到第10个字节连起来时 0018，即十进制数字的24，意即后面有24个常量。值得注意的是，常量池数组中元素的个数 = 常量池数 - 1（其中0暂时不使用），目的是满足某些常量池索引值的数据在特定情况下需要表达“不引用任何一个常量池”的含义；根本原因在于，索引为0也是一个常量（保留常量），只不过它不位于常量池数组（也叫常量表）中，这个常量就对应null值，所以常量池的索引从1而非0开始。以上图为例显示有24个常量，但是根据 java -verbose的输出结果，显示只有23个常量。
6. 在JVM规范种，每个变量/字段都有描述信息，描述信息的主要作用是描述字段的数据类型、方法的参数列表（包括数量、类型与顺序）与返回值。根据描述符规则，基本数据类型和代表无返回值的void类型都用一个大写字符来表示，而对象类型则使用字符L加对象的全限定名称来表示。为了压缩字节码文件的体积，对于基本数据类型，JVM都只使用一个大写字母，如下所示：B - byte ，C - char，D - double，F - float， I - int，J - long，S - short，Z - boolean，V - void，L - 对象类型，如Ljava/lang/String；
7. 对于数组类型来说，每一个维度使用一个前置的[来表示，如int[]被记录为[I，String[][]被记录为[[Ljava/lang/String；
8. 用描述符来描述方法时，按照先参数列表，后返回值的顺序来描述。参数列表按照参数的严格顺序放在一组（）之类，如方法String getRealNameByIdAndName(int id, String name)，表示为（I，Ljava/lang/String；）Ljava/lang/String；

附《Class文件结构中常量池中11种数据类型的结构总表》

U1表示长度为一个字节，U2表示长度为2个字节。上面的表中描述了11种数据类型的结构，其实在jdk1.7之后又增加了3种（CONSTANT_MethodHandle_info, CONSTANT_MethodType_info以及CONSTANT_InvokeDynamic_info)。所以加上上面的11种，一共是14种

然后对常量数组种的元素逐一分析：

第一个常量，组成如下：

U1 类型的 0A 对应值为10的 CONSTANT_Methodref_info

U2 类型的 00 04，换算成十进制是4

U2 类型的 00 14，换算成十进制是20

Class字节码中有两种数据类型

• 字节数据直接量：这是基本的数据类型。共细分为u1，u2，u4，u8四种，分别代表连续的1个字节，2个字节，4个字节，8个字节组成的整体数据。
• 表（数组）：表是由多个基本数据或其他表，按照既定顺序组成的大的数据集合。表是有结构的，它的结构体现在：组成表的成分所在的位置和顺序都是已经严格定义号的。

Access_Flag访问标志

访问标志信息包括该Class文件是类还是接口，是否被定义为public，是否是abstract，如果是类，是否被声明为final

上图缺少了0x0002代表 ACC_PRIVATE

在本文的例子中，访问标志的值是 00 21，对应于上图就是 ACC_PUBLIC | ACC_SUPER （即这两者的并集）

字段表集合

字段表用于描述类和接口中声明的变量。这里的字段包含了类级别变量以及实例变量，但是不包括方法内部声明的局部变量。

本文例子中，字段表集合是0001打头的，代表有1个字段。后面的内容就是该字段的描述信息

下图看起来更清晰

其中 attribute_info结构如下

这个工具比javap -verbose更全面一些，有idea插件可供下载

LineNumberTable的结构：

其他：

在Java代码的每个非静态方法中都可以使用this指针，实际上从字节码角度来看，this是作为每个方法的第一个参数传递给了方法来实现的。