class文件解析
前言
操做java字節碼，免不了要對字節碼文件有一個詳細的認識。本文主要記錄學習小冊 《JVM字節碼從入門到精通》 的筆記，以供參考。java
查看class文件
public class Hello {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello World");
}
}
複製代碼
打開命令行，將此文件經過 javac 命令編譯成 jvm 能識別的 class 文件數組
javac Hello.java
複製代碼
而後用 xxd 命令以 16 進制的方式查看這個 class 文件bash
xxd Hello.class
複製代碼
16進制以下：數據結構
00000000: cafe babe 0000 0034 001d 0a00 0600 0f09 .......4........
00000010: 0010 0011 0800 120a 0013 0014 0700 1507 ................
00000020: 0016 0100 063c 696e 6974 3e01 0003 2829 .....<init>...()
00000030: 5601 0004 436f 6465 0100 0f4c 696e 654e V...Code...LineN
00000040: 756d 6265 7254 6162 6c65 0100 046d 6169 umberTable...mai
00000050: 6e01 0016 285b 4c6a 6176 612f 6c61 6e67 n...([Ljava/lang
00000060: 2f53 7472 696e 673b 2956 0100 0a53 6f75 /String;)V...Sou
00000070: 7263 6546 696c 6501 000a 4865 6c6c 6f2e rceFile...Hello.
00000080: 6a61 7661 0c00 0700 0807 0017 0c00 1800 java............
00000090: 1901 000b 4865 6c6c 6f20 576f 726c 6407 ....Hello World.
000000a0: 001a 0c00 1b00 1c01 0021 636f 6d2f 7869 .........!com/xi
000000b0: 6173 6d2f 6173 6d64 656d 6f2f 636c 6173 asm/asmdemo/clas
000000c0: 7374 6573 742f 4865 6c6c 6f01 0010 6a61 stest/Hello...ja
000000d0: 7661 2f6c 616e 672f 4f62 6a65 6374 0100 va/lang/Object..
000000e0: 106a 6176 612f 6c61 6e67 2f53 7973 7465 .java/lang/Syste
000000f0: 6d01 0003 6f75 7401 0015 4c6a 6176 612f m...out...Ljava/
00000100: 696f 2f50 7269 6e74 5374 7265 616d 3b01 io/PrintStream;.
00000110: 0013 6a61 7661 2f69 6f2f 5072 696e 7453 ..java/io/PrintS
00000120: 7472 6561 6d01 0007 7072 696e 746c 6e01 tream...println.
00000130: 0015 284c 6a61 7661 2f6c 616e 672f 5374 ..(Ljava/lang/St
00000140: 7269 6e67 3b29 5600 2100 0500 0600 0000 ring;)V.!.......
00000150: 0000 0200 0100 0700 0800 0100 0900 0000 ................
00000160: 1d00 0100 0100 0000 052a b700 01b1 0000 .........*......
00000170: 0001 000a 0000 0006 0001 0000 0003 0009 ................
00000180: 000b 000c 0001 0009 0000 0025 0002 0001 ...........%....
00000190: 0000 0009 b200 0212 03b6 0004 b100 0000 ................
000001a0: 0100 0a00 0000 0a00 0200 0000 0500 0800 ................
000001b0: 0600 0100 0d00 0000 0200 0e ...........
複製代碼
一個字節是8位，兩個十六進制數表示一個字節。
jvm
不少文件都以魔數來進行文件類型的區分，class 文件的頭四個字節稱爲魔數，是0xCAFEBABE，這個魔數是 jvm 識別 class文件的標識，虛擬機在加載class 文件前會先檢查這四個字節，若是不是則拒絕加載。函數
class文件是二進制塊，想直接看懂它比較難，javap 命令能夠窺探 class 文件內部細節，其中 javap -c xxx 是用來對class文件進行反編譯學習
xiasmdeMacBook-Pro:test xiasm$ javap -c Hello
警告: 二進制文件Hello包含com.xiasm.asmdemo.classtest.Hello
1 Compiled from "Hello.java"
2 public class com.xiasm.asmdemo.classtest.Hello {
3 public com.xiasm.asmdemo.classtest.Hello();
4 Code:
5 0: aload_0
6 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
7 4: return
8
9 public static void main(java.lang.String[]);
10 Code:
11 0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
12 3: ldc #3 // String Hello World
13 5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
14 8: return
15 }
複製代碼
上面代碼前面的數字表示從方法開始算起的字節碼偏移量
ui
代碼前面的行號是我本身加上的，能夠看到，3-7行雖然沒有寫Hello類的構造函數，可是編譯器仍是爲咱們自動加上了。this
- 第5行：aload_x 操做碼用來把 對象引用 加載到 操做數棧，非靜態的函數都有第一個默認參數，那就是 this，這裏的 aload_0 就是把 this 入棧
- 第6行：invokespecial #1 invokespecial指令調用實例初始化方法、私有方法、父類方法，#1 指的是常量池中的第一個，這裏是方法引用java/lang/Object."":()V，也即構造器函數
- 第7行：return，這個操做碼屬於 ireturn、lreturn、freturn、dreturn、areturn 和 return 操做碼組中的一員，其中 i 表示 int，返回整數，同類的還有 l 表示 long，f 表示 float，d 表示 double，a 表示 對象引用。沒有前綴類型字母的 return 表示返回 void
到此，構造器函數就結束了，接下來是 main 函數：spa
- 第11行：getstatic #2 getstatic獲取指定類的靜態域，並將其值壓入棧頂，#2 表明常量池中的第 2 個，這裏表示的是java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;，其實就是java.lang.System 類的靜態變量 out（類型是 PrintStream）
- 第12行：ldc #3 ldc表示將int, float或String型常量值從常量池中推送至棧頂，#3 表明常量池的第三個（字符串 Hello, World）
- 第13行：invokevirtual #4 invokevirutal 指令調用一個對象的實例方法，#4表示 PrintStream.println(String) 函數引用，並把棧頂兩個元素出棧
class文件結構剖析
理解 class 文件結構是理解字節碼的基石，class 文件結構比較複雜。
Java 虛擬機規定義了 u一、u二、u4 三種數據結構來表示 一、二、4 字節無符號整數，相同類型的若干條數據集合用表（table）的形式來存儲。表是一個變長的結構，由表明長度的表頭（n）和 緊隨着的 n 個數據項組成。class 文件採用相似 C 語言的結構體來存儲數據，以下所示：
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];
}
複製代碼
class文件由下面十個部分組成
- 魔數（Magic Number）
- 版本號（Minor&Major Version）
- 常量池（Constant Pool）
- 類訪問標記(Access Flags)
- 類索引（This Class）
- 超類索引（Super Class）
- 接口表索引（Interfaces）
- 字段表（Fields）
- 方法表（Methods）
- 屬性表（Attributes）
魔數、主副版本號
常量池
常量池是class文件中最複雜的數據結構，它是一個變長度的數據項
u2 constant_pool_count;
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
複製代碼
主要分爲兩部分，一個是常量池大小，一個是常量池的集合數據
- 常量池大小的由兩個字節表示。假設爲值爲 n，常量池真正有效的索引是 1 ~ n-1。0 屬於保留索引，用來表示不指向任何常量池項。
- 常量池項（cp_info）集合，最多包含 n-1 個。爲何是最多呢？Long 和 Double 類型的常量會佔用兩個索引位置，若是常量池包含了這兩種類型，實際的常量池項的元素個數比 n-1 要小。每個常量池項都由兩部分構成，下文會說到
Java 虛擬機目前一共定義了 14 種常量類型，這些常量名都以 "CONSTANT" 開頭，以 "info" 結尾，以下表所示：
| 常量類型 | 常量值 |
|---|---|
| CONSTANT_Utf8_info | 1 |
| CONSTANT_Integer_info | 3 |
| CONSTANT_Float_info | 4 |
| CONSTANT_Long_info | 5 |
| CONSTANT_Double_info | 6 |
| CONSTANT_Class_info | 7 |
| CONSTANT_String_info | 8 |
| CONSTANT_Fieldref_info | 9 |
| CONSTANT_Methodref_info | 10 |
| CONSTANT_InterfaceMethodref_info | 11 |
| CONSTANT_NameAndType_info | 12 |
| CONSTANT_MethodHandle_info | 15 |
| CONSTANT_MethodType_info | 16 |
| CONSTANT_InvokeDynamic_info | 18 |
每一個常量項都由兩部分構成，表示類型的 tag 和表示 內容 的字節數組
cp_info {
u1 tag;
u1 info[];
}
複製代碼
再看calss文件的十六進制表示
查看類文件的常量池，能夠在 javap 命令上加上 -v 選項，下面是 Hello.class文件的常量池
xiasmdeMacBook-Pro:test xiasm$ javap -v Hello
警告: 二進制文件Hello包含com.xiasm.asmdemo.classtest.Hello
Classfile /Users/xiasm/Desktop/asm_test/Hello.class
Last modified 2020-1-16; size 443 bytes
MD5 checksum a9f2551fb88a0a34395ac7cf0a0eedd3
Compiled from "Hello.java"
public class com.xiasm.asmdemo.classtest.Hello
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #6.#15 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #16.#17 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#3 = String #18 // Hello World
#4 = Methodref #19.#20 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
#5 = Class #21 // com/xiasm/asmdemo/classtest/Hello
#6 = Class #22 // java/lang/Object
#7 = Utf8 <init>
#8 = Utf8 ()V
#9 = Utf8 Code
#10 = Utf8 LineNumberTable
#11 = Utf8 main
#12 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#13 = Utf8 SourceFile
#14 = Utf8 Hello.java
#15 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
#16 = Class #23 // java/lang/System
#17 = NameAndType #24:#25 // out:Ljava/io/PrintStream;
#18 = Utf8 Hello World
#19 = Class #26 // java/io/PrintStream
#20 = NameAndType #27:#28 // println:(Ljava/lang/String;)V
#21 = Utf8 com/xiasm/asmdemo/classtest/Hello
#22 = Utf8 java/lang/Object
#23 = Utf8 java/lang/System
#24 = Utf8 out
#25 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#26 = Utf8 java/io/PrintStream
#27 = Utf8 println
#28 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
//... 省略其餘信息
SourceFile: "Hello.java"
複製代碼
Hello.java文件裏沒有Long或Double類型的常量，因此n-1=28個常量項，沒毛病。
類訪問標記
常量池以後存儲的是訪問標記（Access flags），用來標識一個類是是否是final、abstract 等，由兩個字節表示總共能夠有 16 個標記位可供使用，目前只使用了其中的 8 個，以下：
類、超類、接口索引表
這三個部分用來肯定類的繼承關係，this_class 表示類索引，super_name 表示父類索引，interfaces 表示類或者接口的直接父接口。以 this_class 爲例，它是一個兩字節組成。
字段表
緊隨接口索引表以後的是字段表（Fields），類中定義的字段會被存儲到這個集合中，包括類中定義的靜態和非靜態的字段，不包括方法內部定義的變量，字段表也是一個變長結構，以下圖所示：
每一個字段 field_info 的格式以下：
field_info {
u2 access_flags;
u2 name_index;
u2 descriptor_index;
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
複製代碼
字段結構分爲四部分：
- access_flags：表示字段的訪問標記，是 public、private 仍是 protected，是不是 static，是不是 final 等
- name_index：字段名的索引值，指向常量池的的字符串常量
- descriptor_index：字段描述符的索引，指向常量池的字符串常量
- attributes_count、attribute_info：表示屬性的個數和屬性集合
方法表
在字段表後面的是方法表，類中定義的方法會被存儲在這裏，與前面介紹的字段表很相似，方法表也是一個變長結構
{
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];
}
複製代碼
由表示方法個數的 methods_count 和對應個數的方法項集合組成，以下圖所示：
方法 method_info 結構分爲四部分：
- access_flags：表示方法的訪問標記，是 public、private 仍是 protected，是不是 static，是不是 final 等
- name_index：方法名的索引值，指向常量池的的字符串常量
- descriptor_index：方法描述符的索引，指向常量池的字符串常量
- attributes_count、attribute_info：表示方法相關屬性的個數和屬性集合，包含了不少有用的信息，好比方法內部的字節碼就是存放在 Code 屬性中
屬性表
在方法表以後的結構是 class 文件的最後一步部分屬性表。屬性出現的地方比較普遍，不止出如今字段和方法中，在頂層的 class 文件中也會出現。注意，此屬性表存放的不是咱們理解的類裏面的成員屬性，而是class文件定義的屬性，如 ConstantValue 屬性、Code 屬性等。
字節碼/操做碼 概述
Java 虛擬機的指令由一個字節長度的操做碼（opcode）和緊隨其後的可選的操做數（operand）構成。「字節碼」這個名字的由來也是由於操做碼的長度用一個字節表示
<opcode> [<operand1>, <operand2>]
複製代碼
好比將整型常量 100 壓棧到棧頂的指令是bipush 100，其中 bipush 就是操做碼，100 就是操做數。
由於操做碼長度只有 1 個字節長度，這使得編譯後的字節碼文件很是小巧緊湊，但同時也直接限制了整個 JVM 操做碼指令集的數量最多隻能有 256 個，目前已經使用了 200+
字節碼並非某種虛擬 CPU 的機器碼，而是一種介於源碼和機器碼中間的一種抽象表示方法，不過字節碼經過 JIT（Just in time）技術能夠被進一步編譯成機器碼。
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