第六章 類文件結(jié)構(gòu)

1、無關(guān)性的基石

• 各種不同平臺的虛擬機(jī)與所有平臺都統(tǒng)一使用程序存儲格式——字節(jié)碼是構(gòu)成平臺無關(guān)的基石。
• 實(shí)現(xiàn)語言無關(guān)性的基礎(chǔ)仍然是虛擬機(jī)和字節(jié)碼存儲格式，Java虛擬機(jī)不和包括Java在內(nèi)的任何語言綁定只能與class文件這種特定的二進(jìn)制文件格式所關(guān)聯(lián)。
• class文件包含了Java虛擬機(jī)指令集和符號表以及若干其他輔助信息。

2、class文件結(jié)構(gòu)

概述：

• class文件是一組以八位字節(jié)為基礎(chǔ)的二進(jìn)制流，各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目嚴(yán)格按照順序緊湊的排列在class文件中。
• class文件格式采用一種類似于C語言結(jié)構(gòu)的偽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)，這種偽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含兩種數(shù)據(jù)類型無符號和表。
• 無符號數(shù)屬于基本數(shù)據(jù)類型，從u1、u2、u4、u8來分別表示一個(gè)字節(jié)、兩個(gè)字節(jié)、四個(gè)字節(jié)、八個(gè)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7數(shù)量值或者按照utf-8編碼構(gòu)成字符串值。
• 表是由多個(gè)無符號或者其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型。所有的表都習(xí)慣性地以“_info”結(jié)尾。表示描述有層次關(guān)系的復(fù)合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，整個(gè)class文件本質(zhì)就是一張表。

魔數(shù)：

• 每個(gè)class文件的頭四位為魔數(shù)，作用是確定這個(gè)文件是否是一個(gè)能被虛擬機(jī)引用接受的class文件，class文件的魔數(shù)值是0xCAFEBABE。

class文件的版本：

• 緊接著魔數(shù)的四個(gè)字節(jié)存儲的是class文件的版本號，第5和第6個(gè)字節(jié)是次版本號，第7和第8個(gè)是主版本號。

常量池：

• 緊接著主版本號的是常量池入口，常量池可以理解為class文件中的資源倉庫，它是class文件結(jié)構(gòu)中與其他項(xiàng)目關(guān)聯(lián)的最多的數(shù)據(jù)類型，也是占有class文件空間最大的數(shù)據(jù)項(xiàng)目之一，同時(shí)它是class文件第一個(gè)出現(xiàn)的表類型數(shù)據(jù)。
• 由于常量池的常量數(shù)值不固定，所以在常量池的入口需要放置一項(xiàng)u2類型的數(shù)據(jù)代表常量池容量計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)是從一開始的。
• 常量池主要存放兩大常量，字面量和符號引用，字面量比較接近于Java語言層面的常量概念，如文字字符串，聲明為final的常量池等。
• 符號引用包括類和接口的全限定名，字段的名稱和描述符，方法的名稱和描述符。
• 常量池中每一項(xiàng)常量都是一個(gè)表，根據(jù)標(biāo)志位來確定項(xiàng)目類型。 package com.ecut.clazz;public class TestClass {private int m;public int inc() {return m + 1;} }

  字節(jié)碼文件對應(yīng)的16進(jìn)制如下圖：

  常量容量計(jì)數(shù)值為22則代表有21個(gè)常量，第一個(gè)常量的標(biāo)志位是0x0A，根據(jù)下表可知對應(yīng)的項(xiàng)目類型是CONSTANT_Methodref_info，此類型代表類中方法的符號引用，這個(gè)項(xiàng)目類型對應(yīng)的結(jié)構(gòu)有兩個(gè)index，第一個(gè)index為0x0004為即十進(jìn)制4，第二個(gè)index為0x0012即十進(jìn)制18。第二個(gè)常量是以此類推，這個(gè)項(xiàng)目類型為CONSTANT_Fieldref_info，第一個(gè)index為0x0003即十進(jìn)制3，第二個(gè)index為0x0013即十進(jìn)制19。
• 剩下的常量可以借助class文件字節(jié)碼的工具javap來輸出TestClass.class文件字節(jié)碼內(nèi)容。采用javap -verbose TestClass.class命令。

訪問標(biāo)志：

• 在常量池結(jié)束之后，緊接著的兩個(gè)字節(jié)代表訪問標(biāo)志，這個(gè)標(biāo)志用于標(biāo)識一些類或者接口層次的訪問信息，包括是類還是接口，是否為public類型，是否為abstract。具體的標(biāo)志位以及標(biāo)志的含義如下表：
• access_flag中一共有16個(gè)標(biāo)志位可以使用，當(dāng)前只定義了其中8個(gè)，沒有使用到的標(biāo)志位要求一律為0。
• TestClass被public修飾并且使用了jdk1.2之后的編譯器進(jìn)行了編譯，因此它的access_flag標(biāo)志值應(yīng)該為100001=0x21。

類索引、父類索引、接口索引：

• 類索引用于確定表達(dá)這個(gè)類的全限定名，父類索引用于確定這個(gè)類的父類的全限定名，接口索引集合就用于描述這個(gè)類實(shí)現(xiàn)了那些接口，這些接口按implements語句從左到右排列在接口縮影集合中。

字段表集合：

• 用于描述接口或類中聲明的變量。字段包括類級變量以及實(shí)例級變量，但不包括在方法內(nèi)部聲明的局部變量。
• 字段集合不會列出從超類中或者父類接口中繼承而來的字段，但有可能列出原本沒有的字段，如在內(nèi)部類中為了保持外部類的訪問性會加入外部類的實(shí)例字段。
• 字段包含信息：字段的作用域（public、private、protected），是實(shí)例變量還是類變量（static修飾符），可變性（final）、并發(fā)性（volatile修飾符，是否強(qiáng)制從主內(nèi)存讀寫）、可否被序列化（transient修飾符），字段數(shù)據(jù)類型（基本類型、對象、數(shù)組），字段名稱。
• 字段修飾符放在access_flag項(xiàng)目中，它包含兩項(xiàng)name_index和descript_index，他們都是對常量池的引用，分別代表字段的簡單名稱和字段的描述符。
• 字段表結(jié)構(gòu)如下圖所示：
• 結(jié)合之前的常量池中的常量可知類索引為?com/ecut/clazz/TestClass，父類索引為?java/lang/Object。TestClass包含一個(gè)被private修飾的int 類型的m。?????????????????????????????????????????????????

方法表集合：

• 方法表集合包括訪問標(biāo)志、名稱索引、描述符索引、屬性集合。如果父類方法在子類方法中沒有被重寫，方法表集合中不會有來自父類的方法信息。
• 方法表結(jié)構(gòu)如下圖：

屬性表集合：

• 在class文件中，字段表方法表都可以攜帶自己的屬性表集合，以用于描述某些場景專有的信息。
• 屬性集合的結(jié)構(gòu)如下圖：
• 結(jié)合常量池對文件進(jìn)行分析可得，方法容量為2包含了兩個(gè)方法，第一個(gè)方法時(shí)public修飾void init，該方法包含了一個(gè)屬性code，code操作數(shù)棧最大值為1.第二個(gè)方法時(shí)public修飾的int inc()該方法也包含了一個(gè)屬性code。

• Exception屬性列舉出方法中可能拋出的異常，也就是方法描述時(shí)在throws關(guān)鍵字后面列出的異常。
• LineNumberTable屬性用于描述Java源碼行號和字節(jié)碼行號之間的對應(yīng)關(guān)系。
• LocalVariableTable屬性用來描述棧幀中局部變量與Java源碼中定義的變量之間的關(guān)系。
• SourceFile屬性用來記錄生成這個(gè)class源碼文件名稱。

3、字節(jié)碼指令

概述：

• Java虛擬機(jī)的指令由一個(gè)字節(jié)長度的，代表著某中特定操作含義的數(shù)字（稱為操作碼）以及跟隨其后的零至多個(gè)代表此操作所需參數(shù)（稱為操作數(shù)）而構(gòu)成。
• Java虛擬機(jī)采用面向操作數(shù)棧的架構(gòu)所以大多數(shù)指令都不包含操作數(shù)只有一個(gè)操作碼。
• 在Java虛擬機(jī)的指令集中大多數(shù)指令都包含了其操作鎖對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型信息。

加載和存儲指令：

• 加載存儲指令用來將數(shù)據(jù)在棧幀中的局部變量和操作數(shù)棧之間來回傳輸。
• 將一個(gè)局部變量加載到操作數(shù)棧iload。
• 將一個(gè)數(shù)值從操作數(shù)棧中存儲到局部變量表istore。
• 將一個(gè)常量加載到操作數(shù)棧bipush。
• 擴(kuò)充局部變量表的訪問索引的指令wide。

運(yùn)算或算法指令：

• 運(yùn)算或算法指令用于對兩個(gè)操作數(shù)棧上的值進(jìn)行某中特定的運(yùn)算，并把結(jié)果重新存入操作數(shù)棧的棧頂。

類型轉(zhuǎn)換指令：

?

• 類型轉(zhuǎn)換指令可以將兩種不同的數(shù)值類型進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換操作一般用于實(shí)現(xiàn)用戶代碼中的顯示類型轉(zhuǎn)換操作。
• int——》long——》float——》double。

對象創(chuàng)建和訪問指令:

• 雖然類實(shí)例和數(shù)組都是對象但是使用不同的指令來完成創(chuàng)建。
• 創(chuàng)建類實(shí)例的指令 new。
• 創(chuàng)建數(shù)組的指令 newarray。
• 訪問類字段和實(shí)例字段 putfield 、getfield、getstatic。

操作數(shù)棧管理指令：

• 將操作數(shù)棧的棧頂一個(gè)元素出棧pop。
• 將棧頂兩個(gè)數(shù)值交換swap。

控制轉(zhuǎn)移指令：

• 在有條件或者無條件的修改PC寄存器的值。
• 條件分支ifea、iflt。
• 復(fù)合條件分支lookupswich。
• 無條件goto 。

方法調(diào)用和返回指令：

• 方法調(diào)用指令和返回值無關(guān)，而方法返回指令是根據(jù)返回值類型來區(qū)分的。
• invokevirtual用于調(diào)用對象的實(shí)例方法。
• invokestatic用于調(diào)用類方法。

異常處理指令：

• 在Java程序中顯示拋出異常的操作都有athrow指令來完成。
• Java虛擬規(guī)范還規(guī)定許多運(yùn)行時(shí)異常會在其他指令檢測到異常時(shí)自動拋出。

同步指令：

• Java虛擬機(jī)可以支持方法級的同步和方法內(nèi)部一段指令序列的同步，這兩種同步結(jié)構(gòu)都是使用管程（Monitor）來支持的。

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與50位技術(shù)專家面對面20年技術(shù)見證，附贈技術(shù)全景圖

總結(jié)

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