众所周知，Java 语言编译生成的 class 文件可以运行在任何支持 Java 虚拟机的硬件平台和操作系统上。那么，你是否思考过：class 文件包含哪些内容？是如何在虚拟机中执行的？要弄清楚这些问题，须了解 class 文件结构和 Java 虚拟机字节码指令。Java 虚拟机字节码指令非常重要，学习它对深入理解虚拟机、栈、锁、异常、同步等的原理十分有益，是 Java 进阶之路必读内容之一。

本系列一共有两篇文章，这是第一篇，主要内容如下：

图文解读 class 文件结构；

Java 字节码介绍；

详解 Java 虚拟机栈结构；

实例解读 Java 虚拟机中变量、常量访问原理和指令体系；

实例解读 Java 虚拟机中对象、数组(数值数组、对象数组、多维数组)创建指令；

实例解读 Java 虚拟机中方法、字段 (又称域-field) 访问的原理及指令体系。

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引言

计算机本身只能识别 0 和 1 构成的机器码，因此，任何编程语言最终都需要编译成机器码才能被计算机执行。以 C/C++ 为例，用它们编写的程序首先被编译，然后被连接成单独的、支持特定硬件平台和操作系统的二进制文件。通常情况下，一个平台上的二进制可执行文件不能在其它平台上工作。

Java 在诞生之初便提出了著名的 slogan：“Write Once, Run Anywhere”，为了实现这一目标，Java 虚拟机应运而生。目前，Java 虚拟机有很多版本，但它们都具有一个共同的特征——可以载入并执行同一种与平台无关的字节码(ByteCode)。 因为 Java 虚拟机的出现，Java 源代码不必根据不同平台编译成 0 和 1，而是间接翻译成字节码，储存字节码的文件再交由运行于不同平台上的 Java 虚拟机去读取执行，从而实现一次编写，到处运行的目的。

Java 编译生成的字节码文件为 ".class " 文件，它是一种二进制文件，其中包含了 Java 虚拟机指令集和符号表以及若干其它辅助信息。作为一个通用的、机器无关的执行平台，任何其它语言的实现者都可以将 Java 虚拟机作为语言的产品交付媒介。例如，使用 Java 编译器可以把 Java 代码编译成存储字节码的 class 文件，使用 Groovy、 Scala、 Koltin 等其它语言的编译器一样可以把程序代码编译成 class 文件，虚拟机并不关心 class 的来源是何种语言。

Class 文件结构

class 文件是一组以 8 位字节位基础单位的二进制流，采用一种类似 C 语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构只有两种数据类型：无符号数和表。无符号数属于基本的数据类型，以 u1、u2、u4、u8 分别代表1个字节、2个字节、4个字节、8个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或 utf-8 编码构成的字符串值。表是由多个无符号数或其它表作为数据项构成的复合数据类型，所有表都习惯性地以 _info 结尾。 每一个 class 文件对应于一个如下所示的 ClassFile 结构体：

ClassFile {

u4 magic;//魔数

u2 minor_version;//副版本号

u2 major_version;//主版本号

u2 constant_pool_count;//常量池计数器，

cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池列表

u2 access_flags;//访问标志

u2 this_class;//类索引，表示这个Class文件所定义的类或接口

u2 super_class;//父类索引

u2 interfaces_count;//接口计数器

u2 interfaces[interfaces_count];//接口表，接口顺序和源代码顺序一致

u2 fields_count;//字段计数器

field_info fields[fields_count];//字段表

u2 methods_count;//方法计数器

method_info methods[methods_count];//方法表

u2 attributes_count;//属性计数器

attribute_info attributes[attributes_count];//属性表

}

更直观地，通过图片来展示 class 文件的结构，如下所示：

Class 文件结构实例

从上面的介绍 class 文件的结构比较复杂，事实上，我们可以将 class 文件分为以下部分。

class文件: 文件描述、常量池、类概述、字段表、方法表、扩展信息表。为了便于读者理解，在此，我们先来看一个实例，Java 源码如下：

publicclassTest{

privateString  attribute_1;

privateInteger attribute_2;

publicvoidtestMethod_1(){

}publicStringtestMethod_2(String param){

returnparam;

}}

通过命令“javac Test.java”编译后，可以得到 Test.class 文件，这就是所谓的字节码文件，Test.class 内容如下所示：

cafebabe00000032001807000201001e636f6d2f746573742f646f632f6578702f546573

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6d6265725461626c650100124c6f63616c5661726961626c655461626c65010004746869

730100204c636f6d2f746573742f646f632f6578702f54657374436c617373436f64653b

01000f74657374496e746572666163655f3101000f74657374496e746572666163655f32

010026284c6a6176612f6c616e672f537472696e673b294c6a6176612f6c616e672f5374

72696e673b010005706172616d01000a536f7572636546696c6501001254657374436c61

7373436f64652e6a61766100210001000300000002000200050006000000040007000800

00000300010009000a0001000b0000002f00010001000000052ab7000cb100000002000e

00000006000100000003000f0000000c00010000000500100011000000010012000a0001

000b0000002b0000000100000001b100000002000e0000000600010000000b000f000000

0c0001000000010010001100000001001300140001000b0000003600010002000000022b

b000000002000e0000000600010000000e000f0000001600020000000200100011000000

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最后

希望这篇文章对大家有帮助！

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