jvm原理（25）Java字節碼文件結構剖析

編寫java文件：

public class MyTest1 {
    private int a = 1;

    public int getA() {
        return a;
    }

    public void setA(int a) {
        this.a = a;
    }
}

我要要看一下java文件對應的class文件的結構，定位到工程的out\production\classes下邊執行：

javap -c com.twodragonlake.jvm.bytecode.MyTest1

得到字節碼文件結構：

Compiled from "MyTest1.java"
public class com.twodragonlake.jvm.bytecode.MyTest1 {
  public com.twodragonlake.jvm.bytecode.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
}

也可以使用 javap -verbose com/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1
打印更多信息：

Classfile /E:/Study/intelIde/jvm_lecture/out/production/classes/com/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1.class
  Last modified 2018-7-28; size 507 bytes
  MD5 checksum 372d96fd3e5e97ce3e964e7f9e1e2d67
  Compiled from "MyTest1.java"
public class com.twodragonlake.jvm.bytecode.MyTest1
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#20         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#21         // com/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1.a:I
   #3 = Class              #22            // com/twodragonlake/jvm/bytecode/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/twodragonlake/jvm/bytecode/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/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1
  #23 = Utf8               java/lang/Object
{
  public com.twodragonlake.jvm.bytecode.MyTest1();
    descriptor: ()V
    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 26: 0
        line 27: 4
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      10     0  this   Lcom/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1;

  public int getA();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field a:I
         4: ireturn
      LineNumberTable:
        line 30: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1;

  public void setA(int);
    descriptor: (I)V
    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 34: 0
        line 35: 5
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       6     0  this   Lcom/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1;
            0       6     1     a   I
}

ok，我們也可以使用二進制文件查看器查看class文件的16進制信息（winhex下載）：

16文件查看器裏邊第一行的CA 就是一個字節的容量（8位bit）。
1、使用javap -verbos 命令分析一個字節碼文件時，將會分析該字節碼文件的魔數、版本號、常量池、類信息、類的構造方法信息、類變量與成員變量等信息。
2、魔數：所有的.class字節碼文件的前4個字節都是魔數，魔數值爲固定值：0xCAFEBABE (詹姆斯.高斯林設計的，蘊意：咖啡寶貝，java的圖標是咖啡，哈哈哈，因缺思廳~~~很有意思的一件事情)。
3、魔數之後的4個字節爲版本信息，前2個字節表示minor versio（次版本號），後兩個字節表示major version（主版本號）。
接下來分析剩下的16進制信息的含義。
00 00 00 34 ：版本信息，00 00 （前2個字節）代表是次版本號（minor version），00 34 （後2個字節）代表的是主版本號major version，34是16進制，轉換爲10進制：3*16+4=52，52是jdk8，51是jdk7，50是jdk6，以此類推，可以通過java -version命令來驗證這一點。

$ java -version
java version "1.8.0_111"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_111-b14)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.111-b14, mixed mode)

java version “1.8.0_111” 中1.8是主版本號，0是次版本號，111是更新版本號。
這個和javap反編譯出來的major version是52是對應的。1.7的jdk不能運行1.8編譯出來的class文件。低版本不可以兼容高版本的class文件。
4、常量池（constant pool）：緊接着版本號之後的就是常量池入口，一個java類中定義的很多信息就是由常量池來維護和描述的，可以將常量池看作是Class文件的資源倉庫，比如說java類中定義的方法與變量信息，都是存儲在常量池中。常量池中主要存儲兩類常量：字面量與符號引用。字面量比如文本字符串，java中聲明爲final的常量等，而符號引用如類和接口的全侷限定名，字段的名稱和描述符，方法的名稱和描述符等。
5、常量池的總體結構：java類所對應的常量池主要由常量池數量與常量池數組這2部分共同構成。常量池數量緊跟在主版本號後面，佔據2個字節；常量池數組則緊跟在常量池數量之後。常量池數組與一般的數組不同的是，常量池數組中不同的元素的類型、結構都是不同的；但是每一種元素的第一個數據都是一個u1類型，該字節是個標誌位，佔據1個字節。jvm在解析常量池時，會根據這個ul類型來獲取元素的具體類型。
ok那麼主版本號之後的2個字節是常量池數量，即 00 34 後邊的 00 18 是常量池數量18對應的十進制是1*16+8=24，所以常量池的數量書24個。
但是我們用javap反編譯出來的Constant pool是23個，那是因爲常量池中元素的個數=常量池數 - 1 （其中0暫時不使用），目的是滿足某些常量池索引值的數據在特定情況下需要表達【不引用任何一個常量池】的含義；根本原因在於，索引爲0也是一個常量（保留常量），只不過他不位於常量表中，這個常量就對應null值；所以，常量池的索引從1而非0開始。
那麼我看到的16進制文件中 00 18 後邊的就是實際的一個個的元素體，每個常量元素的大小都是不一樣的，那麼每個元素的結構是怎樣的呢？

00 18 後邊是第一個常量，第一個字節是標誌位：0A（十進制10），十進制10在java字節碼錶格中對應的是CONSTANT_Methodref_info常量，那麼後邊的2個字節00 04 （十進制4）就是U2（第一個index），即指向聲明方法的類描述符CONSTANT_Class_info的索引項，而第二個索引（第二個index）00 14（十進制20）指向名稱及類型描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引項，到此0A 00 04 00 14表示了第一個常量。那麼我們藉助反編譯工具看一下4和20的索引位置時什麼：

   #1 = Methodref          #4.#20         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#21         // com/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1.a:I
   #3 = Class              #22            // com/twodragonlake/jvm/bytecode/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/twodragonlake/jvm/bytecode/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/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1
  #23 = Utf8               java/lang/Object

4是【 #4 = Class #23 // java/lang/Object】即指向聲明方法的類描述符CONSTANT_Class_info的索引項；
4引用的是23，23對應的是 java/lang/Object，
20是【#20 = NameAndType #7:#8 // “<init>“:()V】指向名稱及類型描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引項；
20指向的是索引7和8，7是 <init>，8是()V
這個和表格裏邊是一致的。
tip：
6、在JVM規範中，每個變量/字段都有描述信息，描述信息主要的作用是描述字段的數據類型，方法的參數列表（包括數量、類型與順序）與返回值。根據描述符規則，基本數據類型和代表無返回值的void類型都用一個大寫字符來表示，對象類型則使用字符L加對象的全限名稱來表示。爲了壓縮字節碼文件的體積，對於基本數據類型，JVM基本數據類型，JVM都只是使用一個大寫字母來表示，如下所示：B - byte, C - char,D - double,F - float,
I - int ,J - long S - short,Z - boolean, V - void ,L - 對象類型，如：Ljava/lang.String;
7、對於數組類型來說，每個維度使用一個前置的[來表示，如int[]被記錄爲[I, String[][]被記錄爲[[Ljava/lang/String;
8、用描述符描述方法時，按照先參數列表，後返回值的順序來描述，參數列表按照參數的嚴格順序放在一組（）之內，如方法：String getRealNameByIdAndNickName(int id,String name)的描述符爲：(I,Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
接下來是第二個常量：09 00 03 00 15 ，09是標誌位對用的是CONSTANT_Fieldref_info,第一個索引指向的是聲明字段的類或接口描述符，CONSTANT_Class_info的索引項。
第二個索引：指向字段描述符CONSTANT_NameAndType_info 的索引項。
00 03十進制是索引3 ，3對應的是【#22 // com/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1】，而22對應的是
【#22 = Utf8 com/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1】
00 15十進制是21，21對應的是【 #21 = NameAndType #5:#6 // a:I】，索引5對應的是【 #5 = Utf8 a】
所用6對應的【#6 = Utf8 I】所以第二個常量表示爲：【 #3.#21 // com/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1.a:I】
接下來是第三個常量：07 00 16：
00 16 十進制是22 ，07是常量CONSTANT_CLass_info，只有一個index，指向的是指定權限定名常量項的索引， 00 16 是十進制22，22是【 #22 = Utf8 com/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1】
接下來是第四個常量：07 00 17 ，07是常量CONSTANT_CLass_info，只有一個index，指向的是指定權限定名常量項的索引，00 17 十進制是23，
23指向的是【#23 = Utf8 java/lang/Object】
接下來是第五個常量：01 00 01 … (後邊的字節大小受00 01的約束) ，01 是常量CONSTANT_UTF8_Info,U2是length表示UTF-8編碼的字符串的長度（佔2個字節），
然後能是U1，表示bytes，長度是length的UTF-8編碼的字符串長度。
所以00 01 是佔用2個字節的表示bytes的長度， 00 01 的十進制是1，即後邊的一個字節是bytes，後邊的一個字節是61，61在asc碼錶裏邊是a的索引，即
01 00 01 61 表示字母a。就是反編譯出來的第五個常量：【#5 = Utf8 a】。
第六個常量：01 00 01 ，01 是常量CONSTANT_UTF8_Info長度：00 01（十進制1），後邊是1個字節是：49，49對應的十進制4*16+9=75，75對應的是字母I，
所以第六個常量：【#6 = Utf8 I】
第七個常量：01 00 06 ，還是常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 06 是6，往後6個字節：

對應的是<init>,即，【#7 = Utf8 <init>】
第八個常量01 00 03 還是是常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 03 是長度3，往後三個字節是：28 29 56 ，對應的是：() V,即常量：
【#8 = Utf8 ()V】
第九個常量：01 00 04 是是常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 04是4個字節，往後4個字節是：43 6F 64 65 表示：Code，即常量：
【#9 = Utf8 Code】
第十個常量：01 00 0F:是常量CONSTANT_UTF8_Info,長度是00 0F（十進制15），往後15個字節：4C 69 6E 65 4E 75 6D 62 65 72 54 61 62 6C 65
表示LineNumberTable，即常量：【#10 = Utf8 LineNumberTable】，
第十一個常量：01 00 12 是常量CONSTANT_UTF8_Info ，長度00 12 （十進制18），往後18個字節是：4C6F63616C5661726961626C655461626C65
對應：LocalVariableTable，即常量：【#11 = Utf8 LocalVariableTable】
第十二個常量：01 00 04 是常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 04 （十進制4），往後4個字節：74686973 表示字符串“this”，即常量：【#12 = Utf8 this】
第十三個常量：01 00 28 是常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 28（十進制40），往後40個字節：4C636F6D2F74776F647261676F6E6C616B652F6A766D2F62797465636F64652F4D7954657374313B 表示字符串Lcom/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1;
即常量：#13 = Utf8 Lcom/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1;
第十四個變量：01 00 04 常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 04 （十進制4），往後4個字節：67657441 表示字符串”getA”。即，常量【#14 = Utf8 getA】
第十五個變量：01 00 03 是常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 03 （十進制3）往後三個字節：28 29 49 表示字符串”()I”，即，常量：【#15 = Utf8 ()I】
14號和15號常量表示了一個方法，表示一個方法：方法的名字和方法的描述法，14號常量時方法的名字，15號常量時方法的描述符（沒有參數，但是有一個int的返回值）。
第十六個常量: 01 00 04 常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 04 （十進制4），往後4個字節：73 65 74 41 表示字符串：”setA”,即常量：【#16 = Utf8 setA】
第十七個常量：01 00 04 常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 04 （十進制4），往後4個字節：28 49 29 56 表示字符串”(I)V”，即常量：【#17 = Utf8 (I)V】
16和17號常量表示了一個方法：方法名字setA，方法有一個int類型的入參，但是沒有返回值。
第十八個常量：01 00 0A 常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 0A （十進制10），往後10個字節：536F7572636546696C65 表示字符串：”SourceFile”，即，常量：【#18 = Utf8 SourceFile】
第十九個常量：01 00 0C 常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 0C（十進制12），往後12個字節：4D7954657374312E6A617661 表示字符串：”MyTest1.java”，即常量【#19 = Utf8 MyTest1.java】
18號和19號常量表示當前的class文件是由那個源文件編譯出來的。
第20個常量：0c 00 07 常量 CONSTANT_NameAndType_info，此常量擁有2個index，第一個index佔2個字節：指向該字段或方法名稱常量項的索引；第二個index佔2個字節：指向該字段或方法描述符常量項的索引，00 07（十進制7，指向7號常量：【#7 = Utf8 <init>】 ,第二個index：00 08 (十進制8)，指向的是8號常量：【#8 = Utf8 ()V】，因此，20號常量：【#20 = NameAndType #7:#8 // <init>:()V】
20號常量表示的是無參的構造方法。
第21號常量：0C 00 05 00 06 常量 CONSTANT_NameAndType_info，第一個index：00 05（十進制5）指向5號常量：【#5 = Utf8 a】，第二個索引00 06（十進制6）指向的的是6號常量：【#6 = Utf8 I】,因此。21號常量：【#21 = NameAndType #5:#6 // a:I】
第22個常量：01 00 26 常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 26 （十進制38），往後38個字節：636F6D2F74776F647261676F6E6C616B652F6A766D2F62797465636F64652F4D795465737431 表示字符串：”com/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1”，即，常量：【#22 = Utf8 com/twodragonlake/jvm/bytecode/MyTest1】
第23個常量：01 00 10 常量CONSTANT_UTF8_Info，長度00 10 （十進制10），往後16個字節：6A6176612F6C616E672F4F626A656374 表示字符串：”java/lang/Object”，即常量：【#23 = Utf8 java/lang/Object】表示的是MyTest1的父類全量限定名。

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