一篇帶給你 Java Class 詳解
??51CTO OpenHarmony技術(shù)社區(qū)??
- 基于棧和基于寄存器指令區(qū)別?
- 什么是直接引用和間接引用?
- class文件怎么來的?
- apt與AMS字節(jié)碼插樁?
第一節(jié) Class 文件介紹
1、 背景
“計算機只認(rèn)識0和1，所以我們寫的程序需要被編譯 器翻譯成由0和1構(gòu)成的二進(jìn)制格式才能被計算機執(zhí)行?！笔嗄赀^去了，今天的計算機仍然只能識別0和1，但由于最近十年內(nèi)虛擬機以及大量建立在虛擬機之上的程序語言如雨后春筍般出現(xiàn)并蓬勃發(fā)展，把我們編寫的程序編譯成二進(jìn)制本地機器碼(Native Code)已不再是唯一的選擇，越來越多的程序語言選擇了與操作系統(tǒng)和機器指令集無關(guān)的、平臺中立的格式作為程序編譯后的存儲格式。
Java 語言之所以能實現(xiàn)一次編譯到處運行，就是因為使用所有平臺都支持的字節(jié)碼格式
第二節(jié) Class類文件的結(jié)構(gòu)
1、class文件格式
一個class文件是由下圖描述出來的。我們可以按這張表的格式去解釋一個class文件。
以u1、u2、u4、u8來分別代表1個字節(jié)、2個字節(jié)、4個字節(jié)和8個字節(jié)的無符號數(shù)，無符號數(shù)可以用來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或者按照UTF-8編碼構(gòu)成字符串值。
接下來我們用這一小段樣本代碼來說明class文件的具體內(nèi)容。再復(fù)雜的java源文件都是可以通過這樣的方式分析出來。
public class TestClass {
private int m;
public int inc() {
return m + 1;
}
}
我們將上面的代碼用編譯器進(jìn)行編譯得到一個TestClass.class文件。通過Windows工具“010Editor”對這個class文件進(jìn)行閱讀。
下面是010Editor上面class二進(jìn)制內(nèi)容：
0A FE BA BE : 魔數(shù)(它的唯一作用是確定這個文件是否為一個能被虛擬機接受的Class文件)。
00 00 00 34 : 次版本號與主版本號 次版本號為0，主版本號為52(只能被jdk1.1~1.8 識別)。
class主版本與jdk版本關(guān)系(部分)。
2、 常量池
00 16 : 常量池數(shù)量 22，索引是1-21。
為什么常量池的索引不從0開始?
如果后面某些指向常量池的索引值的數(shù)據(jù)在特定情況下需要表達(dá)“不引用任何一個常量池項目”的含義，可以把索引值設(shè)置為0來表示。
0A 00 04 00 12( 常量索引：1):
0A: -> 10 通過查表 表示一個Methodref_info。
04: 找到索引為4的常量 -> java/lang/Object。
12 轉(zhuǎn)十進(jìn)制得到18 ， 這里找到常量池里18的常量代表 ()V。
得到結(jié)果： java/lang/Object () V。
09 00 03 00 13( 常量索引：2):
09: -> 09 表示一個Fieldref_info。
最終得到：com/havefun/javaapitest/TestClass 和 m i。
07 00 14( 常量索引：3)：
最終結(jié)果 ：com/havefun/javaapitest/TestClass。
07 00 15( 常量索引：4)：
07 表示類信息。
15-> 21 是在常量的索引 -> java/lang/Object。
01 00 01 6D( 常量索引：5)： m。
01 00 01 49( 常量索引：6): I。
01 00 06 3C 69 6E 69 74 3E( 常量索引：7):
01 00 03 28 29 56( 常量索引：8): ()V。
01 00 04 43 6F 64 65( 常量索引：9): Code。
01 00 0F 4C 69 6E 65 4E 75 6D 62 65 72 54 61 62 6C 65( 常量索引：10): LineNumberTable。
01 00 12 4C 6F 63 61 6C 56 61 72 69 61 62 6C 65 54 61 62 6C 65( 常量索引：11):
LocalVariableTable
01 00 04 74 68 69 73( 常量索引：12): ----> this
01 00 23 4C 63 6F 6D 2F 68 61 76 65 66 75 6E 2F 6A 61 \
76 61 61 70 6974 65 73 74 2F 54 65 73 74 43 6C 61 73 73 3B( 常量索引：13):
Lcom/havefun/javaapitest/TestClass;
01 00 03 69 6E 63( 常量索引：14): inc
01 00 03 28 29 49( 常量索引：15): ()I
01 00 0A 53 6F 75 72 63 65 46 69 6C 65( 常量索引：16): SourceFile
01 00 0E 54 65 73 74 43 6C 61 73 73 2E 6A 61 76 61( 常量索引：17): TestClass.java
0C 00 07 00 08( 常量索引：18):
0C 表示字段或方法的部分引用。
07 ->
05 -> ()V
最終得到： // “”: ()V。
0C 00 05 00 06( 常量索引：19): 最終得到： // m:I
01 00 21 63 6F 6D 2F 68 61 76 65 66 75 6E 2F 6A 61 \
76 61 61 70 69 74 95 73 74 2F 54 65 73 76 43 6C 61 73 73( 常量索引：20):
最終得到：com/havefun/javaapitest/TestClass。
01 00 10 6A 61 76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 4F 62 6A 65 63 74( 常量索引：21):
最終得到：java/lang/Object。
Javap -v 生成的內(nèi)容，通過上面的分析就很容易看懂這個反編譯過后的常量池要表達(dá)的內(nèi)容了!
Constant pool:
#1 = Methodref #4.#18 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #3.#19 // com/havefun/javaapitest/TestClass.m:I
#3 = Class #20 // com/havefun/javaapitest/TestClass
#4 = Class #21 // java/lang/Object
#5 = Utf8 m
#6 = Utf8 I
#7 = Utf8 <init>
#8 = Utf8 ()V
#9 = Utf8 Code
#10 = Utf8 LineNumberTable
#11 = Utf8 LocalVariableTable
#12 = Utf8 this
#13 = Utf8 Lcom/havefun/javaapitest/TestClass;
#14 = Utf8 inc
#15 = Utf8 ()I
#16 = Utf8 SourceFile
#17 = Utf8 TestClass.java
#18 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
#19 = NameAndType #5:#6 // m:I
#20 = Utf8 com/havefun/javaapitest/TestClass
#21 = Utf8 java/lang/Object
**訪問標(biāo)識符、類索引、父類索引與接口索引集合 **。
下圖是class文件結(jié)構(gòu)表里面的一部分，描述了訪問標(biāo)識，類索引，父類索引與接口集合等。
00 21: ACC_PUBLIC | ACC_SUPER
下面是截取的常量池部分內(nèi)容，類索引和父類索引都能在上面找到。
#1 = Methodref #4.#18 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #3.#19 // com/havefun/javaapitest/TestClass.m:I
#3 = Class #20 // com/havefun/javaapitest/TestClass
#4 = Class #21 // java/lang/Object
00 03: 類索引-> 常量池索引3
00 04: 父類索引-> 常量池索引4
00 00: 接口數(shù)量0
3、 字段信息
字段表結(jié)構(gòu)如下：
字段訪問標(biāo)志：
字段表信息：
00 01: 字段數(shù)量 1
通過字段表結(jié)構(gòu)讀取6個字節(jié)：00 02 00 05 00 06 00 00
00 02 訪問描述符：代表了private
00 05 字段名稱在常量池的索引：m
00 06 描述符在常量池的索引：I
00 00 屬性數(shù)量為0
結(jié)合起來字段就很容易知道這個是 private 的int類型的字段m。
4、方法表信息
繼續(xù)讀class文件后面的內(nèi)容：00 02 表示有兩個方法。
方法表的結(jié)構(gòu)：
向后讀方法表第一個方法：
00 01: 代表public方法 00 07：方法名 00 08：方法簽名()V
上面這小部分可以得到如下信息：
public com.havefun.javaapitest.TestClass();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
00 01: 表示屬性表有一個屬性
屬性表結(jié)構(gòu)：
00 09 00 00 00 2F: 通過常量池09表示Code(Code 的含義是Java代碼編譯成字節(jié)碼的指令), 后面4個字節(jié)表示接下來的屬性長度，2F轉(zhuǎn)十進(jìn)制等于47。
Code對應(yīng)的結(jié)構(gòu)：
接下來的字節(jié)碼是：00 01 00 01 表示操作數(shù)棧最大深度為1;max_locals代表了局部變量表所需的存儲空間。
再接下來4個字節(jié)：00 00 00 05(表示代碼長度)。
再向后讀5個字節(jié)表示代碼：2A B7 00 01 B1;。
- 2A：對應(yīng)指令aload_0。是將第0個變量槽中為reference類型的本地變量推送到操作數(shù)棧頂。
- B7：指令為invokespecial。指令的作用是以棧頂?shù)膔eference類型的數(shù)據(jù)所指向的對象作為方法接收者，調(diào)用此對象的實例構(gòu)造器方法、private方法或者它的父類的方法。這個方法有一個u2類型的參數(shù)說明具體調(diào)用哪一個方法，它指向常量池中的一個CONSTANT_Methodref_info類型常量，即此方法的符號引用。
這里 00 01 也就是代表了常量池里面#1號常量 =>(// java/lang/Object.“”: ()V)這是一個構(gòu)造方法。
因為Java默認(rèn)在每個方法插入一個默認(rèn)參數(shù)this，并且放在變量槽0的位置。上面兩條指令可以理解為 this = new Object(); 把這個this給實例化了。
- B1：對應(yīng)指令為return。
說明：這里一個字節(jié)表示一條指令操作，那么也就說明Java虛擬機最多不會超過256條指令;
00 00 ：異常表長度為0。
00 02：屬性列表數(shù)量為2。
那么上面可以得到如下信息：
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
（1） 屬性表信息
00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 03：
通過查表0A對應(yīng)的常量池里面的：LineNumberTable;LineNumberTable屬性用于描述Java源碼行號與字節(jié)碼行號(字節(jié)碼的偏移量)之間的對應(yīng)關(guān)系。00 00 00 06 表示屬性長度為6個字節(jié);00 01表示有一個line_number_table;00 00表示是字節(jié)碼行號，00 03表示是Java源碼行號.
LineNumberTable對應(yīng)的結(jié)構(gòu)：
那么這可以得到如下信息：
LineNumberTable:
line 3: 0
00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00：
通過常量池得到0B代表的是 LocalVariableTable。
LocalVariableTable的屬性結(jié)構(gòu)：
local_variable_info結(jié)構(gòu)。
屬性長度0C轉(zhuǎn)十進(jìn)制為12;00 01局部變量表長度為1。
00 00 00 05：表示start_pc和length屬性分別代表了這個局部變量的生命周期開始的字節(jié)碼偏移量及其作用范圍覆蓋的長度，兩者結(jié)合起來就是這個局部變量在字節(jié)碼之中的作用域范圍。
0C：在常量池查詢是表示 this;0D：是這個變量的描述符對應(yīng)的：Lcom/havefun/javaapitest/TestClass。
最后的00 00表示：index是這個局部變量在棧幀的局部變量表中變量槽的位置。
通過上面這一小節(jié)可以得到如下信息：
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/havefun/javaapitest/TestClass;
5、 屬性信息
SourceFile屬性結(jié)構(gòu)。
00 10：對應(yīng)常量池的SourceFile 00 00 00 02：對應(yīng)的屬性長度為2。
作用：如果不生成這項屬性，當(dāng)拋出異常時，堆棧中將不會顯示出錯代碼所屬的文件名。
11：轉(zhuǎn)十進(jìn)制得到17，sourcefile_index數(shù)據(jù)項是指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，常量值是源碼文件的文件名。通過常量池得知17對應(yīng)常量為：TestClass.java。
第三節(jié) 基于棧指令簡介
1、 基于棧的解釋器執(zhí)行過程
以一段代碼作為例子說明演示字節(jié)碼執(zhí)行過程。
public int calc() {
int a = 100;
int b = 200;
int c = 300;
return (a + b) * c;
}
編譯成字節(jié)碼指令如下：
public int calc();
descriptor: ()I
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=4, args_size=1
0: bipush 100 // 將100 推到操作數(shù)棧
2: istore_1 // 將操作數(shù)棧頂?shù)恼椭党鰲２⒋娣诺降?個局部變量槽中
3: sipush 200 // 將200 推到操作數(shù)棧
6: istore_2 // 將操作數(shù)棧頂?shù)恼椭党鰲２⒋娣诺降?個局部變量槽中
7: sipush 300 // 將300 推到操作數(shù)棧
10: istore_3 // 將操作數(shù)棧頂?shù)恼椭党鰲２⒋娣诺降?個局部變量槽中
11: iload_1 // 將局部變量槽1的變量放入操作數(shù)棧
12: iload_2 // 將局部變量槽2的變量放入操作數(shù)棧
13: iadd // 將操作數(shù)棧中頭兩個棧頂元素出棧，做整型加法，然后把結(jié)果重新入棧
14: iload_3 // 將局部變量槽3的變量放入操作數(shù)棧
15: imul // 將操作數(shù)棧中頭兩個棧頂元素出棧，做整型乘法，然后把結(jié)果重新入棧
16: ireturn // 將結(jié)束方法執(zhí)行并將操作數(shù)棧頂 的整型值返回給該方法的調(diào)用者
2、 基于棧與基于寄存器指令集區(qū)別?
以同樣的1+1這個計算來進(jìn)行舉例。
基于棧的指令集如下：
iconst_1
iconst_1
iadd
istore_0
基于寄存器指令集如下：
mov eax, 1
add eax, 1
這兩種指令集的優(yōu)勢與劣勢：
- 基于棧的指令集主要優(yōu)點是可移植。
- 基于寄存器的指令會比基于棧的指令少，但是每條指令會邊長。
- 基于棧指令集的主要缺點是理論上執(zhí)行速度相對來說會稍慢一些。
個人總結(jié)
class文件的結(jié)構(gòu)分析就到這里了，通過一個簡單的類去探索編譯器如何實現(xiàn)類的編寫，那么再復(fù)雜的類我們也能一步一步分析出來，只是需要我們更加細(xì)心。我們了解了這些文件的生成過程，個人認(rèn)為有如下好處：
- 知道javap -v 反編譯class文件的輸出內(nèi)容到底是怎么來的。
- class文件怎么描述一個Java方法或者一個變量。運用方向比如字節(jié)碼增強，動態(tài)修改或者生成等都是能夠?qū)崿F(xiàn)的。
??51CTO OpenHarmony技術(shù)社區(qū)??
