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  • JVM学习笔记(三):类文件结构

    代码编译的结果从本地机器码转变为字节码,是存储格式发展的一小步,却是编程语言发展的一大步。 

    实现语言无关性的基础是虚拟机字节码存储格式Java虚拟机不和包括Java在内的任何语言绑定,只与"Class文件"这种特定的二进制文件所关联,Class文件中包含了Java虚拟机指令集合符号表以及若干其它辅助信息。Java虚拟机作为一个通用的、机器无关的执行平台,任何其他语言都可以将其作为语言的产品交付媒介。

    Java虚拟机提供的语言无关性:

    Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流,各项数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件之中,中间没有添加任何分隔符,如果是超过8位字节以上空间的数据项,则会按照高位在前的方式分割成若干个8位字节进行存储。

    Class文件中有两种数据类型:无符号数和表
    无符号数属于基本的数据类型,以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数;可用来描述数字,索引引用,数量值或者按照UTF-8编码构成的字符串值。
    表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型,所有表都习惯性地以”_info”结尾。表用于描述由层次关系的复合结构的数据,整个Class文件本质上就是一张表。

    Class文件格式:

    图来自:Java类文件结构详解 

    更具体而言:

    下面以一个简单的Java代码为例进行说明:

    package chapter02;
    
    public class ClassTest {
        
        private int m;
        
        public int inc(){
            return m + 1;
        }
            
    }

    生成的Class文件如下所示(可用十六进制编辑器WinHex打开.class文件,WinHexagon也可在这里下载):

    下面具体来分析Class文件中各项数据的含义

    1. 魔数

    每个Class文件的头4个字节称为魔数,用于验证该文件是否为一个能够被虚拟机接受的Class文件。Java的Class文件魔数固定为:0xCAFEBABE

    2. Class文件的版本

     魔数后4个字节,第5个和第6个字节是次版本号,第7个和第8个字节是主版本号。这里次版本号为:0x0000,主版本号为0x0034,转换为十进制为:52,即使用的JDK版本为1.8

    3. 常量池

    (1). 常量池容量计数值
    计数从1开始,目的是满足某些常量池的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。
    这里常量池容量为0x0016,即十进制的22,代表常量池中有21项常量,索引值范围为1~21

    (2). 常量池
    常量池中主要存放两大类常量:字面量和符号引用
    字面量接近于Java语言层面的常量概念,如文本字符串、声明为final的常量值等。
    符号引用属于编译原理方面概念,主要包含以下三类常量: 1) 类和接口的权限定名;2) 字段的名称和描述符; 3) 方法的名称和描述符
    常量池中每一项常量都是一个表,这些表都具有如下通用格式:

    表开始的第一位是一个标志位(tag),后面info[]项的内容tag的类型所决定。
    下面进行具体分析:
    常量1:

    07 //标志位,表示这个常量属于CONSTANT_Class_info类型。CONSTANT_Class_info类型表示这个常量是一个类或接口的符号引用
    00 02 //索引值,指向常量池中的第二项常量。

    常量2(即常量1指向的第二项常量):

    01 //标志位,表示这个常量属于CONSTANT_Utf8_info类型。CONSTANT_Utf8_info类型表示这个常量是一个UTF-8编码的字符串
    00 13 //length值,表示这个UTF-8编码的字符串占用的字节数,它后面紧跟着长度为“length值”的连续数据是一个使用UTF-8缩略编码表示的字符串。0x0013的十进制为19,也就是长19字节
    63 68 61 70 74 65 72 30 32 2F 43 6C 61 73 54 65 73 74//长度为19个字节,表示chapter02/ClassTest

    CONSTANT_Class_info类型的表和CONSTANT_Utf8_info类型的表的具体结构:

    到此为止我们分析了ClassTest.class常量池中21个常量中的两个,其余19个常量也可通过类似的方法计算出来。同时,我们也可以通过javap命令行查看:

    可以看出,图中的第1、2项常量与我们手工计算的结果一致。(javap命令:cd到.class的目录下,执行javap命令)

    4. 访问标志
    在常量池结束之后,紧跟着的两个字节代表访问标志,用于识别一些类或者接口层次的访问信息。

    00 21 //表示该类是一个public类型

    5. 类索引、父类索引、接口索引集合
    类索引和父类索引各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量,通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串。
    对于接口索引集合,入口第一项为接口计数器,表示索引表的容量。如果该类没有实现任何接口,则该计数器值为0,后面的接口索引表不再占用任何字节。

    00 01 //类索引,表示chapter02/ClassTest
    00 03 //父类索引,表示java/lang/Object。(Java中所有的类都有父类,除了java.lang.Object)    
    00 00 //接口索引集合大小,因为该类没有实现任何接口,所以值为0

    查询javap命令计算出来的常量池,找出对应的类和父类的常量:

     

    6. 字段表集合
    字段表用于描述接口或类中声明的变量。字段包括类级别变量以及实例变量,但不包括在方法内部声明的局部变量。包含的信息有:字段的作用域(public 、private、protected修饰符)、类变量还是实例变量(static修饰符)、可变性(final)、并发可见性(volatile修饰符,是否强制从主内存读取)、可否被序列化(transient修饰符)、字段数据类型(基本类型、对象、数组)、字段名称。上述这些信息中,各个修饰符都是布尔值,要么有某个修饰符,要么没有,很适合用标志位来表示。而字段叫什么名字,字段被定义为什么数据类型,这些都是无法固定的,只能引用常量池中的常量来描述。

    00 01 //容量计数器fields_count,说明这个类只有一个字段表数据
    00 02 //字段修饰符access_flags,表示private修饰符为真,即该字段修饰符为private
    00 05 //字段名称name_index,从javap命令行计算出的常量池表中,可知第5项常量是一个CONSTANT_Utf8_info类型的字符串,其值为"m"
    00 06 //字段描述符descriptor_index,从javap命令行计算出的常量池表中,可知第6项常量是一个CONSTANT_Utf8_info类型的字符串,其值为"I",代表该字段是一个int类型的值

    可以看出,修饰符是用标志位表示的,而字段名称(name_index)和字段类型(descriptor_index),是从常量池中读取的。

    7. 方法表集合
    方法表的结构同字段表一样,依次包含了访问标志(access_flags)、名称索引(name_index)、描述符索引(descriptor_index)、属性表集合(attributes)几项。
    至此,可知,方法的定义可通过访问标志、名称索引、描述符索引表达清楚[如:public static void testTenuringThreshold()方法];方法里的代码,经过编译器编译成字节码指令后,存放在方法属性表集合中一个名为"Code"的属性里面,属性表作为Class文件格式中最具扩展性的一种数据项目。

    00 02 //计数器容量,代表集合中有两个方法(分别为编译器添加的实例构造器<init>和源代码中的方法inc())
    00 01 //访问标志,表示只有ACC_PUBLIC标志为真,即该方法的修饰符为public
    00 07 //名称索引,通过查询常量池表,可得方法名为"<init>"
    00 08 //描述符索引值,通过查询常量池表,可得对应常量为"()V"
    00 01 //属性表计数器,表示此方法的属性表集合有一项属性
    00 09 //属性名称索引,对应常量为"Code",说明此属性是方法的字节码描述,即Java方法里面的代码

     

    8. 属性表集合
    java class文件内部属性信息,和java语言定义的属性没有关系,纯粹就是给java虚拟机用的。
    对于每一个属性,它的名称需从常量池中引用一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量来表示,而属性值的结构则是完全自定义的,需需要通过一个长度属性去说明属性值所占用的位数即可。

    Code属性:
    Java程序方法体中的代码经过Javac编译器处理后,最终变为字节码指令存储在Code属性内。

    00 01 //max_stack,代表操作数栈深度的最大值,这里操作数栈最大深度为1。在方法执行的任意时刻,操作数栈都不会超过这个深度。虚拟机运行的时候需要根据这个值来分配栈帧。
    00 01 //max_locals,代表局部变量表所需的存储空间,这里最大的局部变量数为1。
    00 00 00 05 //code_length,代表字节码长度,这里方法代码的长度为5。code_length和code用来存储Java源程序编译后生成的字节码指令。
    2A B7 00 0A B1 //code,用于存储字节码指令的一系列字节流。
    //具体分析2A B7 00 0A B1
    2A //查表得0x2A对应的指令为aload_0,这个指令的含义是将第0个Slot中为reference类型的本地变量推送到操作数栈顶
    B7 //查表的0xB7对应的指令为invokespecial
    00 0A //这是invokespecial的参数,查常量池得0x000A对应的常量为实例构造器"<init>"方法的符合引用
    B1 //查表得0xB1对应的指令为return,含义是返回此方法,并且返回值为void。这条指令执行后,当前方法结束。

    参考:
    JVM(四)类文件结构解析 
    Java字节码结构解析 
    《深入理解java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》

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