深刻理解Java Class文件格式（三）

時間 2019-12-02

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常量池中各數據項類型詳解java

關於常量池的大概內容，已經在深刻理解Java Class文件格式（一）中講解過了，這篇文章中還介紹了常量池中的11種數據類型。本文的任務是詳細講解這11種數據類型，深度剖析源文件中的各類信息是以什麼方式存放在常量池中的。工具

咱們知道，常量池中的數據項是經過索引來引用的，常量池中的各個數據項之間也會相互引用。在這11中常量池數據項類型中，有兩種比較基礎，之因此說它們基礎，是由於這兩種類型的數據項會被其餘類型的數據項引用。這兩種數據類型就是CONSTANT_Utf8 和 CONSTANT_NameAndType ，其中CONSTANT_NameAndType類型的數據項（CONSTANT_NameAndType_info）也會引用CONSTANT_Utf8類型的數據項（CONSTANT_Utf8_info）。與其餘介紹常量池的書籍或其餘資料不一樣，本着按部就班和前後分明的原則，咱們首先對這兩種比較基本的類型的數據項進行介紹，而後再依次介紹其餘9中數據項。佈局

（1） CONSTANT_Utf8_infothis

一個CONSTANT_Utf8_info是一個CONSTANT_Utf8類型的常量池數據項，它存儲的是一個常量字符串。常量池中的全部字面量幾乎都是經過CONSTANT_Utf8_info描述的。下面咱們首先講解CONSTANT_Utf8_info數據項的存儲格式。在前面的文章中，咱們提到，常量池中數據項的類型由一個整型的標誌值（tag）決定，因此全部常量池類型的info中都必須有一個tag信息，而且這個tag值位於數據項的第一個字節上。一個11中常量池數據類型，因此就有11個tag值表示這11中類型。而CONSTANT_Utf8_info的tag值爲1，也就是說若是虛擬機要解析一個常量池數據項，首先去讀這個數據項的第一個字節的tag值，若是這個tag值爲1，那麼就說明這個數據項是一個CONSTANT_Utf8類型的數據項。緊挨着tag值的兩個字節是存儲的字符串的長度length，剩下的字節就存儲着字符串。因此，它的格式是這樣的：spa

其中tag佔一個字節， length佔2個字節， bytes表明存儲的字符串，佔length字節。因此，若是這個CONSTANT_Utf8_info存儲的是字符串"Hello"，那麼他的存儲形式是這樣的：3d

如今咱們知道了CONSTANT_Utf8_info數據項的存儲形式，那麼CONSTANT_Utf8_info數據項都存儲了什麼字符串呢？ CONSTANT_Utf8_info可包括的字符串主要如下這些：
程序中的字符串常量
常量池所在當前類（包括接口和枚舉）的全限定名
常量池所在當前類的直接父類的全限定名
常量池所在當前類型所實現或繼承的全部接口的全限定名
常量池所在當前類型中所定義的字段的名稱和描述符
常量池所在當前類型中所定義的方法的名稱和描述符
由當前類所引用的類型的全限定名
由當前類所引用的其餘類中的字段的名稱和描述符
由當前類所引用的其餘類中的方法的名稱和描述符
與當前class文件中的屬性相關的字符串，如屬性名等
總結一下，其中有這麼五類：程序中的字符串常量，類型的全限定名，方法和字段的名稱，方法和字段的描述符，屬性相關字符串。程序中的字符串常量不用多說了，咱們常用它們建立字符串對象，屬性相關的字符串，等到講到class中的屬性信息（attibute）時自會說起。方法和字段的名稱也不用多說了。剩下的就是類型的全限定名，方法和字段的描述符，這就是上篇文章中說起的"特殊字符串"，不熟悉的同窗能夠先讀一下上篇文章深刻理解Java Class文件格式（二）。還有一點須要說明，類型的全限定名，方法和字段的名稱，方法和字段的描述符，能夠是本類型中定義的，也多是本類中引用的其餘類的。
下面咱們經過一個例子來進行說明。示例源碼：code

package com.jg.zhang;
 
public class Programer extends Person {
 
    static String company = "CompanyA";
    
    static{
        System.out.println("staitc init");
    }
    
    
    String position;
    Computer computer;
 
    public Programer() {
        this.position = "engineer";
        this.computer = new Computer();
    }
    
    public void working(){
        System.out.println("coding...");
        computer.working();
    }
}

別看這個類簡單，可是反編譯後，它的常量池有53項之多。在這53項常量池數據項中，各類類型的數據項都有，固然也包括很多的CONSTANT_Utf8_info 。下面只列出反編譯後常量池中的CONSTANT_Utf8_info 數據項：
#2 = Utf8 com/jg/zhang/Programer //當前類的全限定名
#4 = Utf8 com/jg/zhang/Person //父類的全限定名
#5 = Utf8 company //company字段的名稱
#6 = Utf8 Ljava/lang/String; //company和position字段的描述符
#7 = Utf8 position //position字段的名稱
#8 = Utf8 computer //computer字段的名稱
#9 = Utf8 Lcom/jg/zhang/Computer; //computer字段的描述符
#10 = Utf8 <clinit> //類初始化方法（即靜態初始化塊）的方法名
#11 = Utf8 ()V //working方法的描述符
#12 = Utf8 Code //Code屬性的屬性名
#14 = Utf8 CompanyA //程序中的常量字符串
#19 = Utf8 java/lang/System //所引用的System類的全限定名
#21 = Utf8 out //所引用的out字段的字段名
#22 = Utf8 Ljava/io/PrintStream; //所引用的out字段的描述符
#24 = Utf8 staitc init //程序中的常量字符串
#27 = Utf8 java/io/PrintStream //所引用的PrintStream類的全限定名
#29 = Utf8 println //所引用的println方法的方法名
#30 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V //所引用的println方法的描述符
#31 = Utf8 LineNumberTable //LineNumberTable屬性的屬性名
#32 = Utf8 LocalVariableTable //LocalVariableTable屬性的屬性名
#33 = Utf8 <init> //當前類的構造方法的方法名
#41 = Utf8 com/jg/zhang/Computer //所引用的Computer類的全限定名
#45 = Utf8 this //局部變量this的變量名
#46 = Utf8 Lcom/jg/zhang/Programer; //局部變量this的描述符
#47 = Utf8 working //woking方法的方法名
#49 = Utf8 coding... //程序中的字符串常量
#52 = Utf8 SourceFile //SourceFile屬性的屬性名
#53 = Utf8 Programer.java //當前類所在的源文件的文件名對象

上面只列出了反編譯結果中常量池中的CONSTANT_Utf8_info數據項。其中第三列不是javap反編譯的輸出結果，而是我加上的註釋。讀者能夠對比上面的程序源碼來看一下，這樣的話，就能夠清楚的看出，源文件中的各類字符串，是如何和存放到CONSTANT_Utf8_info中的。blog

這裏要強調一下，源文件中的幾乎全部可見的字符串都存放在CONSTANT_Utf8_info中，其餘類型的常量池項只不過是對CONSTANT_Utf8_info的引用。其餘常量池項，把引用的CONSTANT_Utf8_info組合起來，進而能夠描述更多的信息。下面將要介紹的CONSTANT_NameAndType_info就能夠驗證這個結論。繼承

（2） CONSTANT_NameAndType類型的數據項

常量池中的一個CONSTANT_NameAndType_info數據項，能夠看作CONSTANT_NameAndType類型的一個實例。從這個數據項的名稱能夠看出，它描述了兩種信息，第一種信息是名稱（Name），第二種信息是類型（Type）。這裏的名稱是指方法的名稱或者字段的名稱，而Type是廣義上的類型，它其實描述的是字段的描述符或方法的描述符。也就是說，若是Name部分是一個字段名稱，那麼Type部分就是相應字段的描述符；若是Name部分描述的是一個方法的名稱，那麼Type部分就是對應的方法的描述符。也就是說，一個CONSTANT_NameAndType_info就表示了一個方法或一個字段。

下面先看一下CONSTANT_NameAndType_info數據項的存儲格式。既然是常量池中的一種數據項類型，那麼它的第一個字節也是tag，它的tag值是12，也就是說，當虛擬機讀到一個tag爲12的常量池數據項，就能夠肯定這個數據項是一個CONSTANT_NameAndType_info 。 tag值一下的兩個字節叫作name_index，它指向常量池中的一個CONSTANT_Utf8_info，這個CONSTANT_Utf8_info中存儲的就是方法或字段的名稱。 name_index之後的兩個字節叫作descriptor_index，它指向常量池中的一個CONSTANT_Utf8_info，這個CONSTANT_Utf8_info中存儲的就是方法或字段的描述符。下圖表示它的存儲佈局：

下面舉一個實例進行說明，實例的源碼爲：

package com.jg.zhang;
 
public class Person {
 
    int age;
 
    int getAge(){
        return age;
    }
}

這個Person類很簡單，只有一個字段age，和一個方法getAge 。將這段代碼使用javap工具反編譯以後，常量池信息以下：

#1 = Class #2 // com/jg/zhang/Person
#2 = Utf8 com/jg/zhang/Person
#3 = Class #4 // java/lang/Object
#4 = Utf8 java/lang/Object
#5 = Utf8 age
#6 = Utf8 I
#7 = Utf8 <init>
#8 = Utf8 ()V
#9 = Utf8 Code
#10 = Methodref #3.#11 // java/lang/Object."<init>":()V
#11 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
#12 = Utf8 LineNumberTable
#13 = Utf8 LocalVariableTable
#14 = Utf8 this
#15 = Utf8 Lcom/jg/zhang/Person;
#16 = Utf8 getAge
#17 = Utf8 ()I
#18 = Fieldref #1.#19 // com/jg/zhang/Person.age:I
#19 = NameAndType #5:#6 // age:I
#20 = Utf8 SourceFile
#21 = Utf8 Person.java

常量池一共有21項，咱們能夠看到，一共有兩個CONSTANT_NameAndType_info 數據項，分別是第#11項和第#19項，其中第#11項的CONSTANT_NameAndType_info又引用了常量池中的第#7項和第#8項，被引用的這兩項都是CONSTANT_Utf8_info ，它們中存儲的字符串常量值分別是 <init> 和（）V。其實他們加起來表示的就是父類Object的構造方法。那麼這裏爲何會是父類Object的構造方法而不是本類的構造方法呢？這是由於類中定義的方法若是不被引用（也就是說在當前類中不被調用），那麼常量池中是不會有相應的 CONSTANT_NameAndType_info 與之對應的，只有引用了一個方法，纔有相應的CONSTANT_NameAndType_info 與之對應。這也是爲何說CONSTANT_NameAndType_info 是方法的符號引用的一部分的緣由。（這裏提到一個新的概念，叫作方法的符號引用，這個概念會在後面的博客中進行講解）能夠看到，在源碼存在兩個方法，分別是編譯器默認添加的構造方法和咱們本身定義的getAge方法，由於並無在源碼中顯示的調用這兩個方法，因此在常量池中並不存在和這兩個方法相對應的CONSTANT_NameAndType_info 。之因此會存在父類Object的構造方法對應的CONSTANT_NameAndType_info ，是由於子類構造方法中會默認調用父類的無參數構造方法。咱們將常量中的其餘信息去掉，能夠看得更直觀：

下面講解常量池第#19項的CONSTANT_NameAndType_info ，它引用了常量池第#5項和第#6項，這兩項也是CONSTANT_Utf8_info 項，其中存儲的字符串分別是age和I，其中age是源碼中字段age的字段名， I是age字段的描述符。因此這個CONSTANT_NameAndType_info 就表示對本類中的字段age的引用。除去常量池中的其餘信息，能夠看得更直觀：

和方法相同，只定義一個字段而不引用它（在源碼中表現爲不訪問這個變量），那麼在常量池中也不會存在和該字段相對應的CONSTANT_NameAndType_info 項。這也是爲何說CONSTANT_NameAndType_info做爲字段符號引用的一部分的緣由。（這裏提到一個新的概念，叫作字段的符號引用，這個概念會在後面的博客中進行講解）在本例中之因此會出現這個CONSTANT_NameAndType_info ，是由於在源碼的getAge方法中訪問了這個字段：

   int getAge(){
        return age;
    }

下面給出這兩個CONSTANT_NameAndType_info真實的內存佈局圖：

和Object構造方法相關的CONSTANT_NameAndType_info的示意圖：

和age字段相關的CONSTANT_NameAndType_info示意圖：

這兩張圖可以很好的反映出CONSTANT_NameAndType_info和CONSTANT_Utf8_info 這兩種常量池數據項的數據存儲方式，也可以真實的反應CONSTANT_NameAndType_info和CONSTANT_Utf8_info 的引用關係。

總結

本篇博客就到此爲止，在本文中咱們主要介紹了常量池中的兩種數據項： CONSTANT_NameAndType_info 和 CONSTANT_Utf8_info 。其中CONSTANT_Utf8_info存儲的是源文件中的各類字符串，而CONSTANT_NameAndType_info表述的是源文件中對一個字段或方法的符號引用的一部分（即方法名加方法描述符，或者是字段名加字段描述符）。在下一篇博客中，繼續講解常量池中的其餘類型的數據項。