虚拟机可以运行在各种不同平台上，这些虚拟机都可以载入和执行同一种与平台无关的字节码，从而实现了程序的“一次编写，到处运行”。各种不同平台的虚拟机与所有平台都统一使用字节码存储程序。
Java语言中的各种变量，关键字和运算符号的语义最终都是由多条字节码命令组合而成的。
Class类文件的结构
Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑的排列在Class文件中，中间没有添加任何分隔符。
整个Class文件本质上是一张表，由下图所示数据项构成。
Class.jpg
魔数与Class文件的版本
每个Class文件的头4个字节成为魔数（Magic Number），它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。Class文件的魔数值为"0xCAFEBABY"。
紧接着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号：第5个和第6个字节是次版本号（Minor Version），第7和第8个字节是主版本号（Major Version）。
一段简单的Java代码
package com.ljessie.jvm;
public class TestClass {
private int m;
public int inc(){
return m+1;
}
}
使用Javac命令编译TestClass.java，生成TestClass.class文件，然后使用vim命令查看TestClass.class文件，解决乱码之后，结果如下图：
TestClass.jpg
头四个字节魔数的十六进制表示是：cafe babe，第五和第六个字节次版本号为：00 00，第七和第八个字节主版本号为：00 34，也就是十进制的52。
常量池
紧接着主次版本号之后的是常量池入口，常量池可以理解为Class文件之中的资源仓库。由于常量池中常量的数量是不固定的，所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的数据，代表常量池数量计数值。
这个容器计数是从1开始的，在十六进制是13，即十进制的19，即常量池中有18项常量
TestClass_ConstantPool.jpg
常量池中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic Reference）。字面量比较接近于Java语言层面的常量概念，如字符串和final修饰的常量值等。而符号引用则包含下面三类常量：
类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
字段的名称和描述符（Descriptor）
方法的名称和描述符
手工解析常量池比较痛苦，我这里直接使用javap -verbose C:\workspace\BioDemo\src\main\java\com\ljessie\jvm\TestClass.class命令，查看TestClass.class文件得到
Classfile /C:/workspace/BioDemo/src/main/java/com/ljessie/jvm/TestClass.class
Last modified 2020-2-13; size 291 bytes
MD5 checksum 4ab0ac51fd79f1b9b4a7745e53d4c434
Compiled from "TestClass.java"
public class com.ljessie.jvm.TestClass
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #4.#15 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #3.#16 // com/ljessie/jvm/TestClass.m:I
#3 = Class #17 // com/ljessie/jvm/TestClass
#4 = Class #18 // java/lang/Object
#5 = Utf8 m
#6 = Utf8 I
#7 = Utf8 <init>
#8 = Utf8 ()V
#9 = Utf8 Code
#10 = Utf8 LineNumberTable
#11 = Utf8 inc
#12 = Utf8 ()I
#13 = Utf8 SourceFile
#14 = Utf8 TestClass.java
#15 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
#16 = NameAndType #5:#6 // m:I
#17 = Utf8 com/ljessie/jvm/TestClass
#18 = Utf8 java/lang/Object
{
public com.ljessie.jvm.TestClass();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
public int inc();
descriptor: ()I
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield #2 // Field m:I
4: iconst_1
5: iadd
6: ireturn
LineNumberTable:
line 6: 0
}
SourceFile: "TestClass.java"
常量池的第一项，指向第4和第15项常量，第4项常量指向第18项常量，即java/lang/Object，第15项常量指向第7和第8项，第7项指向<init>，第8项指向()V。
访问标志
在常量池结束之后，紧接着的两个字节代表访问标志（access_flags)，这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息，包括：这个Class是类还是接口；是否定义为public型；是否定义为abstract类型；如果是类的话，是否被生命为final等。具体的标志位以及标志的含义见下表
访问标志.jpg
access_flags一共有16个标志位可用，当前只定义了其中8个，没有使用到的标志位一律要求为0。TestClass是一个普通Java类，被public修饰，不是final和abstract，因此，ACC_PUBLIC,ACC_SUPER为真，其他6个值为假。因此它的access_flags值应为0x0001|0x0020=0x0021。
访问标志21.jpg
即用Javap命令查看TestClass.class文件中的flags
访问标志flag.jpg
类索引，父类索引与接口集合
类索引(this_class)和父类索引(super_class)都是一个u2型数据，接口索引集合是一组u2类型的数据的集合。Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系。
类索引用于确定这个类的全限定名，父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。
类索引，父类索引和接口索引集合都按顺序排列在访问标志之后。类索引和父类索引各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量，通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串。
类索引.jpg
类索引为0003，父类索引为0004。类索引0003在常量池中指向第17项常量，第17项常量是：com/ljessie/jvm/TestClass；父类索引0004，指向常量池中第18项常量，第18项常量是：java/lang/Object
类索引2.jpg
字段表集合
字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量。字段不包括局部变量。描述一个字段可以包含的信息有：作用域（public,private等），实例变量还是类变量（static），可变性（final），并发可见性（volatile），字段数据类型（int，long等），字段名称。这些信息，各个修饰符都是布尔值，要么有某个修饰符，要么没有。而字段名称和数据类型引用常量池中的常量来描述。下图表示字段表的最终格式。
字段表结构.jpg
字段修饰符放在access_flags中，与类中的access_flags类似，都是一个u2型数据，可以设置的标志位和含义如下图。
字段访问标志.jpg
ACC_PUBLIC,ACC_PRIVATE,ACC_PROTECTED最多只能选一个，ACC_FINAL,ACC_VOLATILE不能同时选择。接口之中的字段必须有ACC_PUBLIC,ACC_STATIC,ACC_FINAL。
跟随access_flags标志的是两项索引值：name_index和descriptor_index。他们都是对常量池的引用，代表着字段的简单名称以及字段和方法的描述符。
全限定名： com/ljessie/jvm/TestClass是这个类的全限定名。
简单名称：没有类型和参数修饰的方法或者字段名称，TestClass中的inc()方法和m字段的简单名称分别是"inc"和m。
描述符：描述字段的数据类型，方法的参数列表和返回值。根据描述符规则，基本数据类型和void类型都用一个大写字母表示，而对象类型则用L加对象的全限定名来表示。
描述符标识.jpg
对于Test Class.class文件来说，字段表集合如下图：
字段表class.jpg
0001表示这个类中只有一个字段表数据；0002是access_flags标志，值为ACC_PRIVATE；0005代表字段的简单名称name_index，代表常量池第五项：m；0006代表字段的描述符descriptor_index，代表常量池第六项：I，描述符I又标识基本类型int。可推断出Test Class中定义的字段为："private int m;"。
字段表字段.jpg
字段表集合中，不会列出从父类继承来的字段。但是在内部类中，会自动添加指向外部类实例的字段。
方法表集合
方法表的结构和字段表一样，依次包括访问标志（access_flags），名称索引（name_index），描述符索引（descriptor_index）和属性表集合（attributes）。下图表示方法表结构。
方法表结构.jpg
方法表的访问标志中增加了ACC_SYNCHRONIZED,ACC_NATIVE等标志。
方法访问标志.jpg
方法里的Java代码，经过编译器编译成字节码指令后，存放在方法属性表集合中一个名为Code的属性里面。
方法表class.jpg
在TestClass中，方法表第一个数据0002代表集合中有两个方法（<init>和inc()），第一个方法的访问标志为0001，也就是ACC_PUBLIC；名称索引值为0007，代表常量池第7项<init>；描述符索引为0008，代表常量池第8项()V；属性表计数器0001，表示属性表集合有一项属性；属性名称索引为0009，对应常量池Code，说明此属性是方法的字节码描述。
方法表常量池.jpg
如果父类的方法在子类中没有被重写，方法表集合中，就不会出现来自父类的方法信息。但是有可能会出现编译器自动添加的方法，例如<init>。
属性表集合
在Class文件，字段表，方法表都可以携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景专有的信息。
虚拟机规范中，预定义的属性如下表：
预定义属性1.jpg
预定义属性2.jpg
预定义属性3.jpg
对于每个属性，它的名称需要从常量池中引用一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量来表示，而属性值的结构是自定义的。属性表结构如下：
属性表结构.jpg
1.Code属性
Java程序方法体中的代码经过Javac编译器处理后，最终变为字节码指令存储在Code属性内。Code属性出现在放发表的属性集合中，但并非所有的方法都必须存在这个属性，譬如接口和抽象类中的方法，就不存在Code属性。
Code属性表结构.jpg
Code属性是Class文件中最重要的一个属性，如果把一个Java程序中的信息分为代码和元数据两部分，那么在整个Class文件中，Code属性用于描述代码，所有其他数据都用于描述元数据。
继续以TestClass.class为例，分析<init>中的Code属性。如下图
Code属性结构实例.jpg
0001：操作数栈的最大深度，在方法执行的任意时刻，操作数栈都不会超过这个深度，虚拟机运行的时候，需要根据这个值分配栈帧中的操作栈深度。
0001：本地变量表容量，代表了局部变量表所需的存储空间。单位是Slot，Slot是虚拟机为局部变量分配内存所使用的最小单位。对于byte,char,int,boolean等不超过32位的数据类型，每个局部变量需要1个Slot，double和long这种64位的数据类型，需要两个Slot。Slot可以重用，Javac编译器会根据变量的作用域分配Slot给各个变量使用。
0005：字节码长度为5。
然后按照顺序依次读入五个字节码指令（每个指令代表含义，查看虚拟机字节码指令表）：
2A：代表指令为aload_0，含义是将第0个Slot中为reference类型的，本地变量推送到操作数栈顶。
B7：代表指令为invokespecial，作用是以栈顶的reference类型的数据所指向的对象，作为方法接受者，调用此对象的实例构造器方法，private方法或者父类方法。
0001：为invokespecial参数，查常量池0001对应的常量为实例构造器<init>方法的符号引用。
B1：代表指令return，含义是返回此方法，返回值为void。
属性表集合中还有其他属性，这里就不展开说了。
网友评论