JVM读书笔记-类文件结构

以前只知道，java文件运行javac命令后 将会生成一个.class文件，继而运行java命令运行该class文件即可。也曾打开过class文件，里面一堆16进制数字，肉眼一瞟，什么**玩意？页面停留3秒，close~

那就来探索一下，这些个16进制数据究竟是什么鬼怪；

类的数据性结构

第一步，要认知到，所有的这些的class，都是严格按照如下一张表属性，前后顺序排列。
类的文件结构主要体现为这张表，从这张表开始认识：

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U: U1，U2，U4，U8，类型分别表示对应多少字节，这个用于在那些一堆16进制数字中，套取对应的值。例如：第一个属性 magic为U4，则该属性对应的值就是class文件那一堆数字中，最前面4个字节表示的16进制值。以此类推，后边的属性值，顺序读取。

_info: 后面有加info类型，则表示该属性是由多个组数据集合而成，例如：第一个info---constant_pool，则需要与U2---constant_pool_count 结合使用，字面意思就能理解，表示有多少个count 的constant; 每个constant按照该属性规则去划分多少字节。

这样就能把这个class的所有16进制数字，分别按照这个字节规则去从前往后划分，机器自然就能读出当前属性是什么，代表什么含义；机器是笨的，只会按照规则行事，创造这些规则的才是智者

属性

1. magic与version

   每个Class文件的头4个字节称为魔数（magic），它的唯一作用是判断该文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。它的值固定为0xCAFEBABE。紧接着d的4个字节是Class文件的次版本号和主版本号，高版本的JDK能向下兼容低版本的Class文件，但不能运行更高版本的Class文件。(copy 来的介绍)

2. constant_pool（常量池）

   前面的属性位数读取完后，就是该属性的开始，（占用空间最大的属性）；

   主要分为两大类常量：

   • 字面量 :和java层类似，例如Int，Float，double等等；

   • 符号引用

     1. 类和接口的全限定名：也就是Ljava/lang/String;

     2. 字段的名称和表述(private，public等)

     3. 方法的名称和表述(private，public等)

   符号引用和直接引用的区别与关联？？难以理解，待解答
   引用指的是需要通过其他的常量，显示当前对应的属性，存放的其他常量的地址

常量池中的每一项常量都是一个表(网上盗图--对应表--6-3)

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每个常量都有自己的数据结构，字面量里的数据结构放着就是标志和值 （tag -- bytes）,符号 引用里的则是存放另一个常量的地址，（tag -- index --index）有些符号引用数据结构中有两个index引用，例如：Methodref_info等，具体可参照书中 表6-6。

注： 由于所有的class名或者字段名，用到的描述都是第一个属性Utf-8_info，而它的结构（tag--length--bytes），最大占用字节为U2，所以方法名的长度不能超过64KB。不过哪有方法名这么长的？？？

通过这个表和查找方法就可以将class中所有常量，都能一一找出来，既然这是机器所做的操作，人为一个个去找实在太傻，自然也有机器的方法：。 Java类分解器 javap -verbose 能帮你解读当前的class文件，再也不用去看那些16进制的鬼东西

写了一个demo：

 public class TestClass{
     private int m;
     public int inc(){
      return m+1;
 }
}

编译后进行 javap -verbose

C:\Users\Administrator\Desktop\aaaa>javap -verbose TestClass.class
Classfile /C:/Users/Administrator/Desktop/aaaa/TestClass.class
 Last modified 2019-8-25; size 296 bytes
 MD5 checksum d59bab4f31f6cbf544dcfeb5a3471d2c
 Compiled from "TestClass.java"
public class com.porterking.clazz.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/porterking/clazz/TestClass.m:I
 #3 = Class              #17            // com/porterking/clazz/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/porterking/clazz/TestClass
 #18 = Utf8               java/lang/Object
{
 public com.porterking.clazz.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"

用这个显示去读class文件，不要太友好。个人认为，校对每个属性的表结构，然后一一去解读每位16进制的所代表的意思，能帮你充分理解上述代码如何生成，但具体去分析class文件，只需要读懂当前解析过之后的上述代码即可；

java字节代码解析主要分为三块，常量池，字段，方法

1. 常量池： 这里罗列了18项常量，每一项结合对应属性表的结构，包括引用属性 通过“#“，引用到对应的常量，一幕了然。还看到，常量里的utf8 属性展示的一些名称，<init> ()V等 这些都是其他类属性所需要用到的常量，所以这个常量池是参与其他项目关联最多的，所以也是占用class文件控件最大的项目之一

感悟：java在编译时，根据当前代码，就帮你先声明好一块区域，也就是常量池，里面放的都是静态的一些值，例如方法名，字段名等等这些例如我们肉眼看到的字符，都给你编译成了那些16进制数字。而放入常量池中，在运行编译时，就可以通过地址获取到值。结合String str = "abc"; String str = new String("abc") 两者实现在字节码上的实现不同点， 能有效的理解常量池的作用。运行时时常量，有待深入考察。

2. 字段： 测试代码中，并没有将 字段m设为public属性，因此没有这里申明，书上未做解释，个人认为，只有public或者protected 属性，需要被外部引用的，才会在字节码上有申明，不然也就只是在常量中存在。根据属性表的结构：1. descriptor--类型 2.flags--访问标志 3.ConstantValue--属性表集合(只有当前字段被final static修饰时才会有)

descriptor--类型，这个标识描述符的作用则是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表（包括数量、类型以及顺序等）和返回值的。根据描述符规则，详细的描述符标示字的含义如下表所示，这与JNI中的全限定名如同一辙：

1566735098(1).jpg

3. 方法： 数据结构与字段一致，就是attribute属性表所带不同，每个方法名一般都带有Code属性（除接口和者抽象方法）

Code数据结构：该属性为class代码最重要的属性，用于描述方法，阅读懂它就能知道它所描述的方法是什么

• stack：操作数栈，方法套嵌的层数。

• locals ：局部变量所需要的空间单位Slot，基本类型一个变量1Slot，double、long为2Slot

• args_size：参数个数，对于实例方法每个方法至少带有一个this的参数，static方法args_size从0开始计数

• 操作指令：目前Java虚拟机规范定义了其中200条指令，具体每一条指令是什么，《深入理解Javan虚拟机》中并没有一一阐述，看来是需要某搜索引擎查询； 上述指令中，aload_0 ：含义为将第0个Slot中reference类型的变量推送到操作数栈顶；invokespecial ：以栈顶reference类型数据作为接受者，调用实例构造方法，这个操作需要说明是什么方法，则指向了常量中的 #1 Methodref方法引用 return：返回指令

Code中的操作指令，也就给机器规定好一条一条的规则，逐条操作指令。这一块就很机器化了。

方法中还有其他的基本属性，

Exception属性：列举出方法中可能抛出的受查异常

LineNumberTable属性：描述Java源码行号与字节码行号之间的对应关系。

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对应关系。

SourceFile属性:记录生成这个Class文件的源码文件名称。

属性表还有很多属性，就不全部展示

总结

学完这一章后，对于这个class文件，亲切了许多，不再是一头雾水。也能看的懂 javap 编译后的文件。 算有所收获吧，也能为后面的类加载机制垫底一些基础。