【修煉內功】[JVM] 類文件結構
本文已收錄 【修煉內功】躍遷之路
學習C語言的時候，須要在不一樣的目標操做系統上(或者使用交叉編譯環境)，(使用正確的CPU指令集)編譯成對應操做系統可運行的執行文件，才能夠在相應的系統上運行，若是使用操做系統差別性的庫或者接口，還須要針對不一樣的系統作不一樣的處理(宏)java
Java的出現也正是爲了解決"平臺無關性"，"Write Once, Run Anywhere"的口號也充分表達了軟件開發人員對衝破平臺接線的渴求segmentfault
"與平臺無關"的最終實現仍是要在操做系統的應用層上，這即是JVM的存在，不一樣的平臺有不一樣的JVM，而全部的JVM均可以載入與平臺無關的字節碼，從而實現程序的"一次編寫，處處運行"數組
JVM並不是只爲Java設計，而字節碼也並不是只有Java才能夠編譯獲得，早在Java發展之初，設計者便將Java規範拆分爲Java語言規範及Java虛擬機規範，同時也承諾，對JVM作適當的擴展，以便更好地支持其餘語言運行於JVM之上，而這一切的基礎即是Class文件(字節碼文件)，Class文件中存放了JVM能夠理解運行的字節碼命令併發
In the future, we will consider bounded extensions to th Java virtual machine to provide better support for other languages
JVM並不關心Class的來源是何種語言，在JVM發展到1.7~1.8的時候，設計者經過JSR-292基本兌現了以上承諾app
本篇不會去詳細地介紹如何去解析Class文件，目的是爲了瞭解Class文件的結構，Class文件中都包含哪些內容ide
Class文件能夠由JVM加載並執行，其中記錄了類信息、變量信息、方法信息、字節碼指令等等，雖然JVM加載Class以後(在JIT以前)進行的是解釋執行，但Class文件並非文本文件，而是被嚴格定義的二進制流文件佈局
接下來，均會以這段代碼爲示例進行分析學習
import java.io.Serializable;
public class ClassStruct implements Serializable {
private static final String HELLO = "hello";
private String name;
public ClassStruct(String name) {
this.name = name;
}
public void print() {
System.out.println(HELLO + ": " + name);
}
public static void main(String[] args) {
ClassStruct classStruct = new ClassStruct("ManerFan");
classStruct.print();
}
}
使用$ javac ClassStruct.java進行編譯，編譯後的文件可使用$ javap -p -v ClassStruct查看Class文件的內容(見文章末尾)ui
魔數
不少文件存儲都會使用魔數來進行身份識別，好比圖片文件，即便將圖片文件改成不正確的後綴，絕大多數圖片預覽器也會正確解析this
一樣Class文件也不例外，使用二進制模式打開Class文件，會發現全部Class文件的前四個字節均爲OxCAFEBABE，這個魔術在Java還被稱爲"Oak"語言的時候就已經肯定下來了
版本號
緊接着魔術的四個字節(接下來再也不對照二進制進行查看，而是直接查看javap幫咱們解析出來的結果，見文章末尾)存儲的是Class文件的版本號，前兩個字節爲次版本號(minor version)，後兩個字節爲主版本號(major version)
Java版本號從45開始，高版本的JDK能夠向下兼容低版本的Class文件，但沒法向上兼容高版本，即便文件格式並未發生變化
常量池
緊接着主次版本號以後的是常量池入口
常量池中主要存放兩大類常量：字面量(Literal)和符號引用(Symbolic Reference)
字面量：如文本字符串、被聲明爲final的常量值等
符號引用：類和接口的全限定名(Fully Qualified Name)、字段的名稱和描述(Descriptor)、方法的名稱和描述符
Java代碼在進行編譯時，並不像C或C++那樣有"鏈接"這一步驟，而是在虛擬機加載Class文件時進行動態鏈接，Class文件中不會保存各方法和字段的內存佈局，在虛擬機運行時，須要從常量池中得到對應的符號引用，再在類建立或運行時解析並翻譯到具體的內存地址中，才能被虛擬機使用
訪問標誌
訪問標誌用於識別一些類或接口層次的訪問信息
訪問標誌用於識別這個Class是類仍是接口；是否認義爲public；是否爲abstract類型；是否聲明爲final；等等，具體標誌含義以下
| 標誌 | 名稱 |
|---|---|
| ACC_PUBLIC | 是否爲public類型 |
| ACC_FINAL | 是否被聲明爲final |
| ACC_SUPER | 是否容許使用invokespecial字節碼指令 |
| ACC_INTERFACE | 是否爲接口 |
| ACC_ABSTRACT | 是否爲abstract |
| ACC_SYNTHETIC | 標識這個類並不是由用戶代碼生成 |
| ACC_ANNOTATION | 標識這是一個註解 |
| ACC_ENUM | 標識這是一個枚舉 |
類索引、父類索引、接口索引集合
Class文件中由類索引(this_class)、父類索引(super_class)及接口索引集合(interfaces)三項數據肯定這個類的繼承關係
父類索引只有一個(對應extends語句)，而接口索引則是一個集合(對應implements語句)
字段表集合
字段表(field_info)用於描述類或者接口中聲明的變量
字段(field)包括了類級變量(如static)及實例級變量，但不包括在方法內部聲明的變量
字段包含的信息有：做用域(public、private、protected)、類級仍是實例級(static)、可變性(final)、併發可見性(volatile)、能否序列化(transient)、數據類型、字段名等
描述符
這裏簡單解釋一下描述符(descriptor)
描述符用來描述字段數據類型、方法參數列表和返回值，根據描述符規則，基本數據類型及表明無返回值的void類型都用一個大寫字符表示，對象類型則用字符L加對象全限定名來表示
| 標識字符 | 含義 |
|---|---|
| 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/Object; |
對於數組，每個維度使用一個前置的[來描述，如java.lang.String[][]將被記錄爲[[java/lang/String;，int[]將被記錄爲[I
描述方法時，按照先參數列表，後返回值的順序描述，參數列表放在()內，如void inc()描述符爲()V，方法java.lang.String toString()描述符爲()Ljava/lang/String;，方法int indexOf(char[] source, int sourceOffset, int sourceCount, char[] target, int targetOffset, int targetCount, int fromIndex的描述符爲([CII[CIII)I
方法表集合
Class文件中對方法的描述與對字段的描述幾乎採用了徹底一致的方式，方法表的結構依次包括了訪問標誌(access_flags)、名稱索引(name_index)、描述符索引(descriptor_index)、屬性表集合(attributes)，可是方法內部的代碼並不在方法表中，而是通過編譯器編譯成字節碼指令後，存放在屬性表集合中一個名爲"Code"的屬性中
屬性表集合
在Class文件、字段表、方法表中均可以攜帶本身的屬性表集合，用於描述某些場景專有的信息，Java虛擬機規範中預約義了9種虛擬機實現應當能識別的屬性
| 屬性名稱 | 使用位置 | 含義 |
|---|---|---|
| Code | 方法表 | Java代碼編譯成的字節碼指令 |
| ConstantValue | 字段表 | final關鍵自定義的常量值 |
| Deprecated | 類、方法表、字段表 | 被聲明爲deprecated的方法和字段 |
| Exceptions | 方法表 | 方法拋出的異常 |
| InnerClasses | 類文件 | 內部類列表 |
| LineNumberTable | Code屬性 | Java源碼的行號與字節碼指令的對應關係 |
| LocalVariableTable | Code屬性 | 方法的局部變量描述 |
| SourceFile | 類文件 | 原文件名稱 |
| Synthetic | 類、方法表、字段表 | 標識方法或字段爲編譯器自動生成的 |
關於屬性表，會在以後的文章中穿插介紹
附：Class文件
Classfile ~/articles/【修煉內功】躍遷之路/JVM/[JVM] 類文件結構/src/ClassStruct.class
Last modified 2019-6-2; size 829 bytes
MD5 checksum 9f7454acd0455837a33ff8e03edffdb3
Compiled from "ClassStruct.java"
public class ClassStruct implements java.io.Serializable
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #14.#31 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #6.#32 // ClassStruct.name:Ljava/lang/String;
#3 = Fieldref #33.#34 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#4 = Class #35 // java/lang/StringBuilder
#5 = Methodref #4.#31 // java/lang/StringBuilder."<init>":()V
#6 = Class #36 // ClassStruct
#7 = String #37 // hello:
#8 = Methodref #4.#38 // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
#9 = Methodref #4.#39 // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
#10 = Methodref #40.#41 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
#11 = String #42 // ManerFan
#12 = Methodref #6.#43 // ClassStruct."<init>":(Ljava/lang/String;)V
#13 = Methodref #6.#44 // ClassStruct.print:()V
#14 = Class #45 // java/lang/Object
#15 = Class #46 // java/io/Serializable
#16 = Utf8 HELLO
#17 = Utf8 Ljava/lang/String;
#18 = Utf8 ConstantValue
#19 = String #47 // hello
#20 = Utf8 name
#21 = Utf8 <init>
#22 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
#23 = Utf8 Code
#24 = Utf8 LineNumberTable
#25 = Utf8 print
#26 = Utf8 ()V
#27 = Utf8 main
#28 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#29 = Utf8 SourceFile
#30 = Utf8 ClassStruct.java
#31 = NameAndType #21:#26 // "<init>":()V
#32 = NameAndType #20:#17 // name:Ljava/lang/String;
#33 = Class #48 // java/lang/System
#34 = NameAndType #49:#50 // out:Ljava/io/PrintStream;
#35 = Utf8 java/lang/StringBuilder
#36 = Utf8 ClassStruct
#37 = Utf8 hello:
#38 = NameAndType #51:#52 // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
#39 = NameAndType #53:#54 // toString:()Ljava/lang/String;
#40 = Class #55 // java/io/PrintStream
#41 = NameAndType #56:#22 // println:(Ljava/lang/String;)V
#42 = Utf8 ManerFan
#43 = NameAndType #21:#22 // "<init>":(Ljava/lang/String;)V
#44 = NameAndType #25:#26 // print:()V
#45 = Utf8 java/lang/Object
#46 = Utf8 java/io/Serializable
#47 = Utf8 hello
#48 = Utf8 java/lang/System
#49 = Utf8 out
#50 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#51 = Utf8 append
#52 = Utf8 (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
#53 = Utf8 toString
#54 = Utf8 ()Ljava/lang/String;
#55 = Utf8 java/io/PrintStream
#56 = Utf8 println
{
private static final java.lang.String HELLO;
descriptor: Ljava/lang/String;
flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_FINAL
ConstantValue: String hello
private java.lang.String name;
descriptor: Ljava/lang/String;
flags: ACC_PRIVATE
public ClassStruct(java.lang.String);
descriptor: (Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: aload_1
6: putfield #2 // Field name:Ljava/lang/String;
9: return
LineNumberTable:
line 7: 0
line 8: 4
line 9: 9
public void print();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=1, args_size=1
0: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: new #4 // class java/lang/StringBuilder
6: dup
7: invokespecial #5 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
10: ldc #7 // String hello:
12: invokevirtual #8 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
15: aload_0
16: getfield #2 // Field name:Ljava/lang/String;
19: invokevirtual #8 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
22: invokevirtual #9 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
25: invokevirtual #10 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
28: return
LineNumberTable:
line 12: 0
line 13: 28
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=3, locals=2, args_size=1
0: new #6 // class ClassStruct
3: dup
4: ldc #11 // String ManerFan
6: invokespecial #12 // Method "<init>":(Ljava/lang/String;)V
9: astore_1
10: aload_1
11: invokevirtual #13 // Method print:()V
14: return
LineNumberTable:
line 16: 0
line 17: 10
line 18: 14
}
SourceFile: "ClassStruct.java"
參考：
深刻理解Java虛擬機
- 1. java內功修煉基礎篇之---JVM
- 2. 【修煉內功】[JVM] 細說線程
- 3. 【修煉內功】[JVM] 深刻理解JVM之ClassLoader
- 4. JVM（6）：類文件結構
- 5. JVM:類文件結構
- 6. JVM：類文件結構1
- 7. JVM——類文件結構
- 8. JVM(4)類文件結構
- 9. JVM(四)-類文件結構
- 10. JVM----Class類文件結構
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每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。
- 1. java內功修煉基礎篇之---JVM
- 2. 【修煉內功】[JVM] 細說線程
- 3. 【修煉內功】[JVM] 深刻理解JVM之ClassLoader
- 4. JVM（6）：類文件結構
- 5. JVM:類文件結構
- 6. JVM：類文件結構1
- 7. JVM——類文件結構
- 8. JVM(4)類文件結構
- 9. JVM(四)-類文件結構
- 10. JVM----Class類文件結構