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JVM详解之:java class文件的密码本

JVM详解之:java class文件的密码本

作者: flydean程序那些事 | 来源:发表于2020-07-15 09:22 被阅读0次

    简介

    一切的一切都是从javac开始的。从那一刻开始,java文件就从我们肉眼可分辨的文本文件,变成了冷冰冰的二进制文件。

    变成了二进制文件是不是意味着我们无法再深入的去了解java class文件了呢?答案是否定的。

    机器可以读,人为什么不能读?只要我们掌握java class文件的密码表,我们可以把二进制转成十六进制,将十六进制和我们的密码表进行对比,就可以轻松的解密了。

    下面,让我们开始这个激动人心的过程吧。

    一个简单的class

    为了深入理解java class的含义,我们首先需要定义一个class类:

    public class JavaClassUsage {
    
        private int age=18;
    
        public void inc(int number){
            this.age=this.age+ number;
        }
    }
    

    很简单的类,我想不会有比它更简单的类了。

    在上面的类中,我们定义了一个age字段和一个inc的方法。

    接下来我们使用javac来进行编译。

    IDEA有没有?直接打开编译后的class文件,你会看到什么?

    没错,是反编译过来的java代码。但是这次我们需要深入了解的是class文件,于是我们可以选择 view->Show Bytecode:

    image

    当然,还是少不了最质朴的javap命令:

     javap -verbose JavaClassUsage
    

    对比会发现,其实javap展示的更清晰一些,我们暂时选用javap的结果。

    编译的class文件有点长,我一度有点不想都列出来,但是又一想只有对才能讲述得更清楚,还是贴在下面:

    public class com.flydean.JavaClassUsage
      minor version: 0
      major version: 58
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
    Constant pool:
       #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Class              #4             // java/lang/Object
       #3 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
       #4 = Utf8               java/lang/Object
       #5 = Utf8               <init>
       #6 = Utf8               ()V
       #7 = Fieldref           #8.#9          // com/flydean/JavaClassUsage.age:I
       #8 = Class              #10            // com/flydean/JavaClassUsage
       #9 = NameAndType        #11:#12        // age:I
      #10 = Utf8               com/flydean/JavaClassUsage
      #11 = Utf8               age
      #12 = Utf8               I
      #13 = Utf8               Code
      #14 = Utf8               LineNumberTable
      #15 = Utf8               LocalVariableTable
      #16 = Utf8               this
      #17 = Utf8               Lcom/flydean/JavaClassUsage;
      #18 = Utf8               inc
      #19 = Utf8               (I)V
      #20 = Utf8               number
      #21 = Utf8               SourceFile
      #22 = Utf8               JavaClassUsage.java
    {
      public com.flydean.JavaClassUsage();
        descriptor: ()V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=2, locals=1, args_size=1
             0: aload_0
             1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
             4: aload_0
             5: bipush        18
             7: putfield      #7                  // Field age:I
            10: return
          LineNumberTable:
            line 7: 0
            line 9: 4
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0      11     0  this   Lcom/flydean/JavaClassUsage;
    
      public void inc(int);
        descriptor: (I)V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=3, locals=2, args_size=2
             0: aload_0
             1: aload_0
             2: getfield      #7                  // Field age:I
             5: iload_1
             6: iadd
             7: putfield      #7                  // Field age:I
            10: return
          LineNumberTable:
            line 12: 0
            line 13: 10
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0      11     0  this   Lcom/flydean/JavaClassUsage;
                0      11     1 number   I
    }
    SourceFile: "JavaClassUsage.java"
    

    ClassFile的二进制文件

    慢着,上面javap的结果好像并不是二进制文件!

    对的,javap是对二进制文件进行了解析,方便程序员阅读。如果你真的想直面最最底层的机器代码,就直接用支持16进制的文本编译器把编译好的class文件打开吧。

    你准备好了吗?

    来吧,展示吧!

    image

    上图左边是16进制的class文件代码,右边是对16进制文件的适当解析。大家可以隐约的看到一点点熟悉的内容。

    是的,没错,你会读机器语言了!

    class文件的密码本

    如果你要了解class文件的结构,你需要这个密码本。

    如果你想解析class文件,你需要这个密码本。

    学好这个密码本,走遍天下都......没啥用!

    下面就是密码本,也就是classFile的结构。

    ClassFile {
        u4             magic;
        u2             minor_version;
        u2             major_version;
        u2             constant_pool_count;
        cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];
        u2             access_flags;
        u2             this_class;
        u2             super_class;
        u2             interfaces_count;
        u2             interfaces[interfaces_count];
        u2             fields_count;
        field_info     fields[fields_count];
        u2             methods_count;
        method_info    methods[methods_count];
        u2             attributes_count;
        attribute_info attributes[attributes_count];
    }
    

    其中u2,u4表示的是无符号的两个字节,无符号的4个字节。

    java class文件就是按照上面的格式排列下来的,按照这个格式,我们可以自己实现一个反编译器(大家有兴趣的话,可以自行研究)。

    我们对比着上面的二进制文件一个一个的来理解。

    magic

    首先,class文件的前4个字节叫做magic word。

    看一下十六进制的第一行的前4个字节:

    CA FE BA BE 00 00 00 3A 00 17 0A 00 02 00 03 07 
    

    0xCAFEBABE就是magic word。所有的java class文件都是以这4个字节开头的。

    来一杯咖啡吧,baby!

    多么有诗意的画面。

    version

    这两个version要连着讲,一个是主版本号,一个是次版本号。

    00 00 00 3A
    
    image

    对比一下上面的表格,我们的主版本号是3A=58,也就是我们使用的是JDK14版本。

    常量池

    接下来是常量池。

    首先是两个字节的constant_pool_count。对比一下,constant_pool_count的值是:

    00 17
    

    换算成十进制就是23。也就是说常量池的大小是23-1=22。

    这里有两点要注意,第一点,常量池数组的index是从1开始到constant_pool_count-1结束。

    第二点,常量池数组的第0位是作为一个保留位,表示“不引用任何常量池项目”,为某些特殊的情况下使用。

    接下来是不定长度的cp_info:constant_pool[constant_pool_count-1]常量池数组。

    常量池数组中存了些什么东西呢?

    字符串常量,类和接口名字,字段名,和其他一些在class中引用的常量。

    具体的constant_pool中存储的常量类型有下面几种:

    image

    每个常量都是以一个tag开头的。用来告诉JVM,这个到底是一个什么常量。

    好了,我们对比着来看一下。在constant_pool_count之后,我们再取一部分16进制数据:

    image

    上面我们讲到了17是常量池的个数,接下来就是常量数组。

    0A 00 02 00 03
    

    首先第一个字节是常量的tag, 0A=10,对比一下上面的表格,10表示的是CONSTANT_Methodref方法引用。

    CONSTANT_Methodref又是一个结构体,我们再看一下方法引用的定义:

    CONSTANT_Methodref_info {
        u1 tag;
        u2 class_index;
        u2 name_and_type_index;
    }
    

    从上面的定义我们可以看出,CONSTANT_Methodref是由三部分组成的,第一部分是一个字节的tag,也就是上面的0A。

    第二部分是2个字节的class_index,表示的是类在常量池中的index。

    第三部分是2个字节的name_and_type_index,表示的是方法的名字和类型在常量池中的index。

    先看class_index,0002=2。

    常量池的第一个元素我们已经找到了就是CONSTANT_Methodref,第二个元素就是跟在CONSTANT_Methodref后面的部分,我们看下是什么:

    07 00 04
    

    一样的解析步骤,07=7,查表,表示的是CONSTANT_Class。

    我们再看下CONSTANT_Class的定义:

    CONSTANT_Class_info {
        u1 tag;
        u2 name_index;
    }
    

    可以看到CONSTANT_Class占用3个字节,第一个字节是tag,后面两个字节是name在常量池中的索引。

    00 04 = 4, 表示name在常量池中的索引是4。

    然后我们就这样一路找下去,就得到了所有常量池中常量的信息。

    这样找起来,眼睛都花了,有没有什么简单的办法呢?

    当然有,就是上面的javap -version, 我们再回顾一下输出结果中的常量池部分:

    Constant pool:
       #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Class              #4             // java/lang/Object
       #3 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
       #4 = Utf8               java/lang/Object
       #5 = Utf8               <init>
       #6 = Utf8               ()V
       #7 = Fieldref           #8.#9          // com/flydean/JavaClassUsage.age:I
       #8 = Class              #10            // com/flydean/JavaClassUsage
       #9 = NameAndType        #11:#12        // age:I
      #10 = Utf8               com/flydean/JavaClassUsage
      #11 = Utf8               age
      #12 = Utf8               I
      #13 = Utf8               Code
      #14 = Utf8               LineNumberTable
      #15 = Utf8               LocalVariableTable
      #16 = Utf8               this
      #17 = Utf8               Lcom/flydean/JavaClassUsage;
      #18 = Utf8               inc
      #19 = Utf8               (I)V
      #20 = Utf8               number
      #21 = Utf8               SourceFile
      #22 = Utf8               JavaClassUsage.java
    

    以第一行为例,直接告诉你常量池中第一个index的类型是Methodref,它的classref是index=2,它的NameAndType是index=3。

    并且直接在后面展示出了具体的值。

    描述符

    且慢,在常量池中我好像看到了一些不一样的东西,这些I,L是什么东西?

    这些叫做字段描述符:

    image

    上图是他们的各项含义。除了8大基础类型,还有2个引用类型,分别是对象的实例,和数组。

    access_flags

    常量池后面就是access_flags:访问描述符,表示的是这个class或者接口的访问权限。

    先上密码表:

    image

    再找一下我们16进制的access_flag:

    image

    没错,就是00 21。 参照上面的表格,好像没有21,但是别怕:

    21是ACC_PUBLIC和ACC_SUPER的并集。表示它有两个access权限。

    this_class和super_class

    接下来是this class和super class的名字,他们都是对常量池的引用。

    00 08 00 02
    

    this class的常量池index=8, super class的常量池index=2。

    看一下2和8都代表什么:

       #2 = Class              #4             // java/lang/Object
       #8 = Class              #10            // com/flydean/JavaClassUsage
    

    没错,JavaClassUsage的父类是Object。

    大家知道为什么java只能单继承了吗?因为class文件里面只有一个u2的位置,放不下了!

    interfaces_count和interfaces[]

    接下来就是接口的数目和接口的具体信息数组了。

    00 00
    

    我们没有实现任何接口,所以interfaces_count=0,这时候也就没有interfaces[]了。

    fields_count和fields[]

    然后是字段数目和字段具体的数组信息。

    这里的字段包括类变量和实例变量。

    每个字段信息也是一个结构体:

    field_info {
        u2             access_flags;
        u2             name_index;
        u2             descriptor_index;
        u2             attributes_count;
        attribute_info attributes[attributes_count];
    }
    

    字段的access_flag跟class的有点不一样:

    image

    这里我们就不具体对比解释了,感兴趣的小伙伴可以自行体验。

    methods_count和methods[]

    接下来是方法信息。

    method结构体:

    method_info {
        u2             access_flags;
        u2             name_index;
        u2             descriptor_index;
        u2             attributes_count;
        attribute_info attributes[attributes_count];
    }
    

    method访问权限标记:

    image

    attributes_count和attributes[]

    attributes被用在ClassFile, field_info, method_info和Code_attribute这些结构体中。

    先看下attributes结构体的定义:

    attribute_info {
        u2 attribute_name_index;
        u4 attribute_length;
        u1 info[attribute_length];
    }
    

    都有哪些attributes, 这些attributes都用在什么地方呢?

    image

    其中有六个属性对于Java虚拟机正确解释类文件至关重要,他们是:
    ConstantValue,Code,StackMapTable,BootstrapMethods,NestHost和NestMembers。

    九个属性对于Java虚拟机正确解释类文件不是至关重要的,但是对于通过Java SE Platform的类库正确解释类文件是至关重要的,他们是:

    Exceptions,InnerClasses,EnclosingMethod,Synthetic,Signature,SourceFile,LineNumberTable,LocalVariableTable,LocalVariableTypeTable。

    其他13个属性,不是那么重要,但是包含有关类文件的元数据。

    总结

    最后留给大家一个问题,java class中常量池的大小constant_pool_count是2个字节,两个字节可以表示2的16次方个常量。很明显已经够大了。

    但是,万一我们写了超过2个字节大小的常量怎么办?欢迎大家留言给我讨论。

    本文链接:http://www.flydean.com/jvm-class-file-structure/

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