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Java字节码结构剖析一:常量池(一)
2018-11-19 22:12:44 】 浏览:45
Tags:Java 字节 结构 剖析 常量

这篇博客开始,我打算带大家去解读一下JVM平台下的字节码文件(熟悉而又陌生的感觉)。众所周知,Class文件包含了我们定义的类或接口的信息。然后字节码又会被JVM加载到内存中,供JVM使用。那么,类信息到了字节码文件里,它们如何表示的,以及在字节码里是怎么分布的呢?带着这些问题,让我们去深入了解字节码文件吧。

Class文件的结构

Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流,各个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,这使得整个Class文件中存储的内容几乎全部是程序运行的必要数据,没有空隙存在。当遇到需要占用8位字节以上空间地数据项时,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。

每一个 Class 文件对应于一个如下所示的 ClassFile 结构体。

ClassFile {
    u4 magic;
    u2 minor_version;
    u2 major_version;
    u2 constant_pool_count;
    cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
    u2 access_flags;
    u2 this_class;
    u2 super_class;
    u2 interfaces_count;
    u2 interfaces[interfaces_count];
    u2 fields_count;
    field_info fields[fields_count];
    u2 methods_count;
    method_info methods[methods_count];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

这种数据结构,类似C语言结构体。这个结构体中只有两种数据类型:无符号数和表,后面的解析都要以这两种数据类型为基础,所以这里要先介绍这两个概念。

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,无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值。

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。表用于描述有层次关系的复合结构的数据,整个Class文件本质就是一张表。

下面是我的案例代码,本章将以此代码生成的字节码文件作为例子来分析。

public class MyTest2 {
    String str = "Welcome";
    private int x = 5;
    public static Integer in = 10;

    public static void main(String[] args) {
        MyTest2 myTest2 = new MyTest2();
        myTest2.setX(8);
        in = 20;
    }

    public void setX(int x) {
        this.x = x;
    }
}

对应生成的字节码文件格式如下:(数据内容较多,只是截了部分)

上面的数字是以16进制表示的。我们可以按照之前的结构一项项去解读它。

Class文件解析

magic

魔数,u4类型的数据,占4个字节。魔数的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机所接受的 Class 文件。魔数值固定为 0xCAFEBABE(咖啡宝贝),不会改变。

minor_version、major_version

紧接着魔数之后的4个字节为Java版本信息:第5和第6个字节是次版本号(minor_version),第7和第8个字节是主版本号(major_version)。

就看当前这个字节码,次版本号是0×0000=0,主版本号是0×0034=52。我本地机器用的是JDK1.8,所以可生成的Class文件主版本号最大值为52.0。

下面给出了Java各个主版本号,以供参考。

constant_pool_count

常量池计数器,u2类型的数据。它是常量池的入口,表示紧跟着它后面的常量池的元素个数。算一下,0x002F=47,即常量池里的元素有47个。这里我用jdk的内置工具javap,反编译一下,可以输出常量池的信息以及元素个数。执行命令:javap -verbose。输出结果如下:

Constant pool:
   #1 = Methodref          #10.#34        // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = String             #35            // Welcome
   #3 = Fieldref           #5.#36         // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.str:Ljava/lang/String;
   #4 = Fieldref           #5.#37         // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.x:I
   #5 = Class              #38            // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2
   #6 = Methodref          #5.#34         // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2."<init>":()V
   #7 = Methodref          #5.#39         // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.setX:(I)V
   #8 = Methodref          #40.#41        // java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
   #9 = Fieldref           #5.#42         // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.in:Ljava/lang/Integer;
  #10 = Class              #43            // java/lang/Object
  #11 = Utf8               str
  #12 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #13 = Utf8               x
  #14 = Utf8               I
  #15 = Utf8               in
  #16 = Utf8               Ljava/lang/Integer;
  #17 = Utf8               <init>
  #18 = Utf8               ()V
  #19 = Utf8               Code
  #20 = Utf8               LineNumberTable
  #21 = Utf8               LocalVariableTable
  #22 = Utf8               this
  #23 = Utf8               Lcom/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2;
  #24 = Utf8               main
  #25 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #26 = Utf8               args
  #27 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #28 = Utf8               myTest2
  #29 = Utf8               setX
  #30 = Utf8               (I)V
  #31 = Utf8               <clinit>
  #32 = Utf8               SourceFile
  #33 = Utf8               MyTest2.java
  #34 = NameAndType        #17:#18        // "<init>":()V
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