JVM系列之class文件剖析

作者: 阿伦故事2019 | 来源:发表于2019-08-12 00:16 被阅读0次

英属哥伦比亚大学（加拿大）校训：“这是你的思想之地。”

帝都几天的阴雨连绵，心中的热情似乎也被浇灭了，总是感觉有气无力，真的挺渴望阳光的味道。再无力，该做的事还得干，世间的事不可能每件都喜欢，把每件不讨厌的市干习惯了就是会产生依赖感，进而喜欢，这就跟国人夫妻结婚生子过日子一个道理。
本篇是JVM系列开篇，本想搞个深度的剖析，但类文件解析本是繁琐的事情，这几天加班加上心情烦躁，未能全面地梳理，但会尽本人之全力呈现一篇值得阅读的文章。
本篇从以下类文件结构/常量池结构/字段表结构/方法表结构等展示讲解，最后以一个demo进行说明，涉及的东西比较多，会拎出重点的进行讲解。

一 class文件结构

我们知道咱们正常搬砖的地方是.java文件，执行javac命令就会编译成.class字节码文件，这样jvm才能正常解析执行，今天要聊的正是字节码文件。一个class文件由虚拟机指令/符号表/其他辅助信息组成，其数据结构就是无符号数和表。
无符号数：指的是全部二进制位均表示数值，无符号位，第一个"0"或"1"来表示正负；无符号数在class文件中是基本数据类型，均是非负数，用来描述数字、索引引用、数量值、UTF-8编码构成字符串等，包含u1 u2 u4 u8四种，分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节。
表：指的是由多个无符号数或其他表作为数据项构成的复合数据类型，以_info结尾，主要用来表示常量池、字段表、方法表等。
附上class文件格式：

译名	数据类型	名称	数量
魔数	u4	magic	1
次版本号	u2	minor_version	1
主版本号	u2	major_version	1
常量池计数器	u2	constant_pool_count	1
常量池	cp_info	constant_pool	constant_pool_count-1
访问标志	u2	access_flags	1
类索引	u2	this_class	1
父类索引	u2	super_class	1
接口计数器	u2	interfaces_class	1
接口索引集合	u2	interfaces	interfaces_count
字段计数器	u2	fields_count	1
字段表集合	field_info	fields	fields_count
方法计数器	u2	methods_count	1
方法表集合	method_info	methods	methods_count
属性计数器	u2	attributes_count	1
属性表集合	attribute_info	attributes	attributes_count

二常量池

常量池代表class文件中的仓库资源，主要存放两大类常量：字面量和符号引用。
字面量：表示固定值，可以当作常量，通俗理解为等号右边的内容；
符号引用：包含三类常量，分别是类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符。
常量池有11种不同的表结构，每一项的第一位都是是一个u1类型的标志位(tag)，代表常量类型，结构表单(因简书markdown不支持table标签，无法合并单元格，在此只能用图片替代)如下：

类型	标志	描述
CONSTANT_Utf8_info	1	utf8编码字符串
CONSTANT_Integer_info	3	整型字面量
CONSTANT_Float_info	4	浮点型字面量
CONSTANT_Long_info	5	长整型字面量
CONSTANT_Double_info	6	双精度浮点型字面量
CONSTANT_Class_info	7	类或接口的符号引用
CONSTANT_String_info	8	字符串型字面量
CONSTANT_Fieldref_info	9	字段的符号引用
CONSTANT_Methodref_info	10	类中方法的符号引用
CONSTANT_InterfaceMethodref_info	11	接口中方法的符号引用
CONSTANT_NameAndType_info	12	字段或方法的部分符号引用
CONSTANT_MethodHandle_info	15	标识方法句柄
CONSTANT_MethodType_info	16	标识方法类型
CONSTANT_InvokeDynamic_info	18	表示一个动态方法调用点

常量池结构表1.png

常量池结构表2.png

三访问标记

紧接着常量池之后的两个字节(u2)代表访问标志(access_flags)，用于识别一些类或接口层次的访问信息，表单如下：

名称	值	说明
ACC_PUBLIC	0X0001	public类型
ACC_FINAL	0X0010	声明final，只有类可设置
ACC_SUPER	0X0020	使用invokespecial指令新语义，编译后类的这个标识为真
ACC_INTERFACE	0X0200	接口
ACC_ABSTRACT	0X0400	接口或抽象类此值为真，其他为假
ACC_SYNTHETIC	0X1000	标识此类并非为用户代码生成
ACC_ANNOTATION	0X2000	注解
ACC_ENUM	0X4000	枚举

四索引顺序

在访问标记之后，有三项来确定该类的继承关系，按顺序依次为：
类索引(this)：描述类的全限定名
父类索引(super)：描述父类的全限定名
接口索引集合(interfaces)：描述类实现的接口集合。

五字段表集合

在接口索引集合之后是字段计数器，用来标识有多少个字段，紧接着就是字段表集合，字段表用来描述接口或者类中声明的变量。它包括类级变量和实例级变量，但不包括局部变量以及从父类和接口中继承而来的字段。
字段表的格式如下：

名称	类型	数量	描述
access_flags	u2	1	字段修饰符
name_index	u2	1	字段和方法名称在常量池中的引用
descriptor_index	u2	1	字段和方法描述符在常量池中的引用
attribute_count	u2	1	字段额外信息属性的个数
attributes	attribute_info	attribute_count	字段的额外信息属性

字段修饰符如下：

名称	数值	含义
ACC_PUBLIC	0X0001	是否public
ACC_PRIVATE	0X0002	是否private
ACC_PROTECTED	0X0004	是否protected
ACC_STATIC	0X0008	是否static
ACC_FINAL	0X0010	是否final
ACC_VOLATILE	0X0040	是否volatile
ACC_TRANSIENT	0X0080	是否transient
ACC_SYNTHETIC	0X0100	是否由编译器自动生成
ACC_ENUM	0X0400	是否枚举

全限定名
类全路径中的"."替换为"/"，如：org/xwz/demo/jvm/classfile/Test;
简单名称
指的是没有类型和修饰符的字段或者方法名称；
描述符
描述字段的数据类型、方法的参数列表和返回值，其中基本类型字段的描述符用一个大写字母来标识，对象类型用"L"加上类全限定名来标识。
字段描述符如下：

描述符	含义
B	基本类型byte
C	基本类型char
D	基本类型double
F	基本类型float
I	基本类型int
J	基本类型long
S	基本类型short
Z	基本类型boolean
V	特殊类型void
L	对象类型，如Ljava/lang/Object
[	数组类型，如[java/lang/String

六方法表集合

类文件对方法描述与对字段描述几乎采用完全一致的方式，其结构也完全一致，不同之处在于访问标志有所区别，如方法具有字段不具备的特有修饰，像native/synchronized等，同理字段也具备特别的修饰像volatile等。
方法表访问标志如下：

名称	数值	含义
ACC_PUBLIC	0X0001	是否public
ACC_PRIVATE	0X0002	是否private
ACC_PROTECTED	0X0004	是否protected
ACC_STATIC	0X0008	是否static
ACC_FINAL	0X0010	是否final
ACC_SYNCHRONIZED	0X0020	是否synchronized
ACC_BRIDGE	0X0040	是否由编译器产生的桥接方法
ACC_VARARGS	0X080	是否接受不定参数
ACC_NATIVE	0X0100	是否native
ACC_ABSTRACT	0X0400	是否abstract
ACC_STRICTFP	0X0800	是否strictfp
ACC_SYNTHETIC	0X1000	是否由编译器自动产生

七属性表集合

Class文件、字段表、方法表、属性表都可以携带自己的属性表集合，用于描述某些场景专有的信息。
属性表结构如下：

名称	类型	数量
attribute_name_index	u2	1
attribute_length	u4	1
info	u1	attribute_length

属性列表如下：

名称	位置	含义
Code	方法表	编译后的字节码指令
ConstantValue	字段表	final定义的常量值
Deprecated	类、字段表、方法表	声明deprecated的方法和字段
Exceptions	方法表	方法抛出的异常
EnclosingMethod	类文件	标识这个类所在的外围方法，仅当一个类为局部类或者匿名类时才拥有此属性
InnerClasses	类文件	内部类列表
LineNumberTable	Code属性	Java源码的行号与字节码指令的对应关系
LocalVariableTable	Code属性	方法的局部变量描述
StackMapTable	Code属性	JDK1.6中新增的属性，供新的类型检查验证器(Type Checker)检查和处理目标方法的局部变量和操作数栈所需要的类型是否匹配
SourceFile	类文件	记录源文件名称
Signature	类、方法表、字段表	JDK1.5中新增的属性，用于支持泛型下的方法签名，在Java语言中，任何类、接口、初始化方法或成员的泛型签名如果包含了类型变量(Type Variables)或参数化类型(Parameterized Types)，则Signature属性会为它记录泛型签名信息。由于Java的泛型采用擦除法实现，在为了避免类型信息被擦除后导致签名混乱，需要这个属性记录泛型中的相关信息。
SourceDebugExtension	类文件	JDK1.6中新增的属性，用于存储额外的调试信息
Synthetic	类、方法表、字段表	标识方法或字段为编译器自动生成的
LocalVariableTypeTable	类	JDK1.5中新增的属性，使用特征签名代替描述符，是为了引入泛型语法之后能描述泛型参数化类型而添加
RuntimeVisibleAnnotations	类、方法表、字段表	JDK1.5新增的属性，为动态注解提供支持，用于注明哪些注解是运行时(实际上运行时就是进行反射调用)可见的
RuntimeInvisibleAnnotations	类、方法表、字段表	JDK1.5新增的属性，用于指明哪些注解是运行时不可见的
RuntimeVisibleParameterAnnotations	方法表	JDK1.5新增的属性，作用与RuntimeVisibleAnnotations属性类似，只不过作用对象为方法参数
RuntimeInvisibleParameterAnnotations	方法表	JDK1.5新增的属性，作用与RuntimeInvisibleAnnotations属性类似，只不过作用对象为方法参数
AnnotationDefault	方法表	JDK1.5新增的属性，用于记录注解类元素的默认值
BootstrapMethods	类文件	JDK1.7中新增的属性，用于保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符

下面说下属性表中的重点属性：
Code属性
方法体中的代码经过Javac编译处理后，最终变为字节码指令，存储在方法表的属性集合Code属性中，但并非所有方法表都有Code属性，如抽象类或接口。
Code属性表结构如下：

名称	类型	数量	含义
attribute_name_index	u2	1	指向CONSTANT_Utf8_info类型常量的值固定为"Code"
attribute_length	u4	1	标识属性值的总长度
max_stack	u2	1	代表了操作数栈(Operand Stacks)深度的最大值
max_locals	u2	1	代表了局部变量所表示的存储空间
code_length	u4	1	字节码指令长度
code	u1	code_length	存储编译后产生的字节码指令
exception_table_length	u2	1
exception_table	exception_info	exception_table_length
attribute_count	u2
attributes	attribute_info	attribute_count

Exceptions属性
在方法表中与Code属性平级的一项属性，作用是列举出方法中可能抛出的受检查异常(Checked Exceptions)。
Exceptions属性表结构如下：

名称	类型	数量
attribute_name_index	u2	1
attribute_length	u4	1
number_of_exceptions	u2	1
exception_index_table	u2	number_of_exceptions

LineNumberTable属性
描述Java源码行号与字节码行号(字节码的偏移量)之间的对应关系，可以在编译的时候分别使用-g:none和-g:lines选项来取消或者要求生成这项信息。
LineNumberTable属性表结构如下：

名称	类型	数量
attribute_name_index	u2	1
attribute_length	u4	1
line_number_table_length	u2	1
line_number_table	line_number_info	line_number_table_length

** LocalVariableTable属性**
描述栈帧中局部变量表中的变量与Java源码中定义的变量之间的关系。
LocalVariableTable属性表结构如下：

名称	类型	数量
attribute_name_index	u2	1
attribute_length	u4	1
local_varible_table_length	u2	1
local_variable_table	local_variable_info	local_varible_table_length

局部变量表结构如下：

名称	类型	数量	含义
start_pc	u2	1	代表局部变量的生命周期开始的字节码偏移量
length	u2	1	代表局部变量的生命周期作用范围覆盖的长度
name_index	u2	1	指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，代表局部变量的名称
descriptor_index	u2	1	指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，代表局部变量的描述符
index	u2	1	局部变量在栈帧局部变量表中Slot的位置，当这个变量数据类型是64位类型时(double和long)，它占用的Slot为index和index+1两个

SourceFile属性
记录生成这个Class文件的源码文件名称，sourcefile_index数据项是指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，常量值是源码文件的文件名。
SourceFile属性表结构如下：

名称	类型	数量
attribute_name_index	u2	1
attribute_length	u4	1
sourcefile_index	u2	1

ConstantValue属性
作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值，只有被static关键字修饰的常量(类变量)才可以使用这项属性。目前Sun Javac编译器的选择是：如果同时使用final和static 来修饰一个变量，并且这个变量的数据类型是基本类型或者String的话，就生成ConstantValue属性来进行初始化，如果这个变量没有被final修饰，或者并非基本类型及字符串，则将会选择在<clinit>方法中进行初始化。
ConstantValue属性表结构如下：

名称	类型	数量
attribute_name_index	u2	1
attribute_length	u4	1
constantvalue_index	u2	1

InnerClasses属性
用于记录内部类与宿主类之间的关联关系，"number_of_classes"代表需要记录多少个内部类信息。
InnerClasses属性表结构如下：

名称	类型	数量
attribute_name_index	u2	1
attribute_length	u4	1
number_of_classes	u2	1
inner_classes	inner_classes_info	number_of_classes

inner_classes_info表结构如下：

名称	类型	数量	含义
inner_class_info_index	u2	1	指向常量池中CONSTANT_Class_info型常量的索引，代表内部类的符号引用
outer_class_info_index	u2	1	指向常量池中CONSTANT_Class_info型常量的索引，代表宿主类的符号引用
inner_name_index	u2	1	代表内部类的名称
inner_class_access_flags	u2	1	内部类的访问标志

内部类访问标志如下：

名称	数值	含义
ACC_PUBLIC	0X0001	是否public
ACC_PRIVATE	0X0002	是否private
ACC_PROTECTED	0X0004	是否protected
ACC_STATIC	0X0008	是否static
ACC_FINAL	0X0010	是否final
ACC_INTERFACE	0X0040	是否interface
ACC_ABSTRACT	0X080	是否abstract
ACC_SYNTHETIC	0X0100	是否非用户代码产生
ACC_ANNOTATION	0X0400	是否是一个注解
ACC_ENUM	0X0800	是否是一个枚举

Deprecated和Synthetic属性
两者都属于标志类型的布尔属性，只存在有和没有的区别，没有属性值的概念。Deprecated代表已经不再推荐使用；Synthetic代表字段或者方法并不是由Java源码直接产生的，而是由编译器自行添加的。
其属性表结构如下：

名称	类型	数量
attribute_name_index	u2	1
attribute_length	u2	1

StackMapTable属性
在JDK1.6发布后增加到Class文件规范中，它是一个复杂的变长属性，位于Code属性的属性表中，会在虚拟机类加载的字节码验证阶段被新类型检查验证器(Type Checker)使用，目的在于代替以前比较消耗性能的基于数据流分析的类型推导验证器；一个方法的Code属性最多只能有一个StackMapTable属性。
StackMapTable属性表结构如下：

名称	类型	数量
attribute_name_index	u2	1
attribute_length	u4	1
number_of_entries	u2	1
stack_map_frame	stack_map_frame entries	1

费了九牛二虎之力，终于把理论部分整理完毕，是时候该整个demo让咱们一起玩玩真实的。说句实话，能把上面的部分看完，看到这里的是真英雄，会有一种“众里寻他千百度，蓦然回首那人却在灯火阑珊处”的感觉。
demo会分三个部分展示，其一是Java源文件；jdk提供的用于分析class文件的工具javap命令，用"javap -v xxx.class"打开查看字节码情况；其三使用文档工具打开字节码文件的16进制查看，Windows推荐notepad++(需要安装插件)，Mac推荐sublime，这里使用sublime，具体演示情况请下阅。
demo展示Java源文件如下：

package org.xwz.xwzdemo.jvm.classfile;

import java.io.Serializable;

/**
 * 解析class文件的演示类
 * 1/继承一个类，实现两个接口
 * */
public class ReadClass extends Exception implements Runnable,Serializable {

    //常量信息
    private final static String XWZ_NAME = "阿伦故事";

    //public修饰int
    public int xwz_age = 29;

    //transient修饰boolean
    transient boolean isMale = true;

    //private变量
    private String address;

    //静态代码块
    static {
        long girlFriends = 8;
    }

    //有参构造
    ReadClass(String address){
        this.address = address;
    }

    //类方法
    static void initXwz(){
        System.out.println("---initXwz method---");
    }

    //普通方法
    public void whoAmI(){
        System.out.println("---who am i---");
    }

    //实现方法
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("---this is run method");
    }
}

javap展示字节码文件如下：

Classfile /Users/bjqxdn0921/xwz-test/xwz-demo/src/main/java/org/xwz/xwzdemo/jvm/classfile/ReadClass.class
  Last modified 2019-8-13; size 846 bytes
  MD5 checksum f534aebea36571f07dcc45a7b348cc1b
  Compiled from "ReadClass.java"
public class org.xwz.xwzdemo.jvm.classfile.ReadClass extends java.lang.Exception implements java.lang.Runnable,java.io.Serializable
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #12.#34        // java/lang/Exception."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #11.#35        // org/xwz/xwzdemo/jvm/classfile/ReadClass.xwz_age:I
   #3 = Fieldref           #11.#36        // org/xwz/xwzdemo/jvm/classfile/ReadClass.isMale:Z
   #4 = Fieldref           #11.#37        // org/xwz/xwzdemo/jvm/classfile/ReadClass.address:Ljava/lang/String;
   #5 = Fieldref           #38.#39        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #6 = String             #40            // ---who am i---
   #7 = Methodref          #41.#42        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #8 = String             #43            // ---this is run method
   #9 = Long               8l
  #11 = Class              #44            // org/xwz/xwzdemo/jvm/classfile/ReadClass
  #12 = Class              #45            // java/lang/Exception
  #13 = Class              #46            // java/lang/Runnable
  #14 = Class              #47            // java/io/Serializable
  #15 = Utf8               XWZ_NAME
  #16 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #17 = Utf8               ConstantValue
  #18 = String             #48            // 阿伦故事
  #19 = Utf8               xwz_age
  #20 = Utf8               I
  #21 = Utf8               isMale
  #22 = Utf8               Z
  #23 = Utf8               address
  #24 = Utf8               <init>
  #25 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #26 = Utf8               Code
  #27 = Utf8               LineNumberTable
  #28 = Utf8               whoAmI
  #29 = Utf8               ()V
  #30 = Utf8               run
  #31 = Utf8               <clinit>
  #32 = Utf8               SourceFile
  #33 = Utf8               ReadClass.java
  #34 = NameAndType        #24:#29        // "<init>":()V
  #35 = NameAndType        #19:#20        // xwz_age:I
  #36 = NameAndType        #21:#22        // isMale:Z
  #37 = NameAndType        #23:#16        // address:Ljava/lang/String;
  #38 = Class              #49            // java/lang/System
  #39 = NameAndType        #50:#51        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #40 = Utf8               ---who am i---
  #41 = Class              #52            // java/io/PrintStream
  #42 = NameAndType        #53:#25        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #43 = Utf8               ---this is run method
  #44 = Utf8               org/xwz/xwzdemo/jvm/classfile/ReadClass
  #45 = Utf8               java/lang/Exception
  #46 = Utf8               java/lang/Runnable
  #47 = Utf8               java/io/Serializable
  #48 = Utf8               阿伦故事
  #49 = Utf8               java/lang/System
  #50 = Utf8               out
  #51 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #52 = Utf8               java/io/PrintStream
  #53 = Utf8               println
{
  public int xwz_age;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC

  transient boolean isMale;
    descriptor: Z
    flags: ACC_TRANSIENT

  org.xwz.xwzdemo.jvm.classfile.ReadClass(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags:
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Exception."<init>":()V
         4: aload_0
         5: bipush        29
         7: putfield      #2                  // Field xwz_age:I
        10: aload_0
        11: iconst_1
        12: putfield      #3                  // Field isMale:Z
        15: aload_0
        16: aload_1
        17: putfield      #4                  // Field address:Ljava/lang/String;
        20: return
      LineNumberTable:
        line 23: 0
        line 13: 4
        line 15: 10
        line 24: 15
        line 25: 20

  public void whoAmI();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #6                  // String ---who am i---
         5: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 28: 0
        line 29: 8

  public void run();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #8                  // String ---this is run method
         5: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 33: 0
        line 34: 8

  static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=0
         0: ldc2_w        #9                  // long 8l
         3: lstore_0
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      LineNumberTable:
        line 20: 0
        line 21: 4
}
SourceFile: "ReadClass.java"

sublime展示字节码文件如下：

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0004 0015 0001 0020 0000 0002 0021

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