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ICQL

jvm_字节码

字节码

java程序 -> javac编译器 -> 字节码(.class) -> java虚拟机(win/linux/…)

Write Once, Run Anywhere “一次编译,到处运行”

编译后生成的字节码是一个中间语言
而程序最后运行是以 机器码 来执行的
java虚拟机就是用来将 字节码 在运行时转化为 机器码



字节码数据的名词

类的全限定名

work/icql/jvm/bytecode/Aston是这个类的全限定名,把类全名中的 . 替换成了 /

为了使连续的多个全限定名之间不产生混淆,在使用时最后一般会加入一个 ; 表示全限定名结束

简单名称

指没有类型和参数修饰的方法或者字段名称

inc() 方法和 m 字段的简单名称分别是 inc 和 m

字段的描述符

描述字段的数据类型

方法的描述符

方法的参数列表(包括数量、类型以及顺序)和返回值

按照先参数列表,后返回值的顺序描述

方法 int test(char[]c,int i) 的描述符为 ([CI)I

类型的表示

标识字符 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;

对象类型用字符 L 加对象的全限定名来表示

数组类型,每一维度将使用一个前置的 [ 字符来描述

如 java.lang.String[][] 表示为 [[Ljava/lang/String



字节码数据的结构

8字节为基础单位的二进制数据,整个结构用 无符号数 2种数据结构来描述,多个字节的数据结构采用大端存储

无符号数: 基本数据类型,以u1,u2,u3,u4代表1,2,3,4个字节。
表: 是由多个无符号数或者其他表构成的复合数据类型(整个class字节码数据本质就是一张表)

大端小端:
数据存储以 8 bit (位)为一个 byte (字节),比如 0xab 就是一个字节
存储的内容长度很可能不止 8 位,比如 java 中 int 类型占 4 个字节 32 位

例如 0xabcd ,需要保存在4个字节里边,完整的是 0x0000abcd
0x0000abcd = 0xab * 0x100 + 0xcd
高位 -> 低位:00 -> 00 -> ab -> cd

大端(big-endian) 是高位的放在内存低地址处,低位的放在高地址处
小端(little-endian) 是高位的放在内存高地址处,低位的放在低地址处

假如 0xabcd 保存的地址是 0x100 - 0x103
大端:00(0x100)-> 00(0x101)-> ab(0x102)-> cd(0x103)
小端:cd(0x100)-> ab(0x101)-> 00(0x102)-> 00(0x103)

结构总览

  • 可使用javap –v -p class文件查看具体信息,或者使用16进制编辑器打开class文件查看
ClassFile {
    //魔数
    //确定是否是虚拟机可以接受的class文件,值为0xCAFEBABE,
    //用作类型识别,类似于图片的字节用来标识是gif或者jpeg类型等
    u4             magic;

    //次版本号
    //java次版本号
    u2             minor_version;

    //java主版本号
    //jdk1.1是45.0
    //每个jdk大版本会在主版本号+1,jdk1.8是52(0x34)
    //jvm根据主版本号和次版本号来确定是否可以加载class文件,jvm只能向下兼容
    u2             major_version;

    //常量池中数据的个数
    //计数是从1开始,例如值是(0x26=38),代表有38-1=37项常量,索引值就是1-37
    //特意将0空出来,是为了某些时候需要表达的不引用任何一个常量池项目,即null
    //注意:除了常量池计数从1开始,其余计数都是从0开始
    u2             constant_pool_count;

    //常量池
    //jdk8有14种不同的表结构数据,具体的结构见下面的表,主要分为:字面量和符号引用
    //1)字面量
    //2)符号引用:
    //  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
    //
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];

    //类的标识
    //一共有16个标志位可以使用,当前只定义了8个,未使用到的一律为0
    u2             access_flags;

    //当前类在常量池中的索引
    u2             this_class;

    //父类在常量池中的索引
    u2             super_class;

    //接口个数
    u2             interfaces_count;

    //接口在常量池中的索引
    u2             interfaces[interfaces_count];

    //字段表个数
    u2             fields_count;
    //字段表信息
    //类变量、实例变量
    field_info     fields[fields_count];

    //方法表个数
    u2             methods_count;
    //方法表信息
    method_info    methods[methods_count];

    //属性表个数(属性表比较特殊,字段表和方法表都可以携带自己的属性表)
    u2             attributes_count;
    //属性表
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

1)常量池

类型 描述 具体内容
CONSTANT_Utf8_info UTF-8 编码的字符串 tag(u1,值为1)、length(u2,占用的字节数)、bytes(单位u1,长度为length的UTF-8编码的字符串)
CONSTANT_Integer_info 整形字面量 tag(u1,值为3)、bytes(单位u4,大端存储的int值)
CONSTANT_Float_info 浮点型字面量 tag(u1,值为4)、bytes(单位u4,大端存储的float值)
CONSTANT_Long_info 长整型字面量 tag(u1,值为5)、bytes(单位u8,大端存储的long值)
CONSTANT_Double_info 双精度浮点型字面量 tag(u1,值为6)、bytes(单位u8,大端存储的double值)
CONSTANT_Class_info 类或接口的符号引用 tag(u1,值为7)、index(单位u2,指向全限定名在CONSTANT_Utf8_info的索引项)
CONSTANT_String_info 字符串类型字面量 tag(u1,值为8)、index(单位u2,指向字符串字面量在CONSTANT_Utf8_info的索引项)
CONSTANT_Fieldref_info 字段的符号引用 tag(u1,值为9)、index(单位u2,指向字段类型在CONSTANT_Class_info的索引项)、index(单位u2,指向字段名称在CONSTANT_NameAndType_info的索引项)
CONSTANT_Methodref_info 类中方法的符号引用 tag(u1,值为10)、index(单位u2,指向声明方法的类型在CONSTANT_Class_info的索引项)、index(单位u2,指向方法描述符在CONSTANT_NameAndType_info的索引项)
CONSTANT_InterfaceMethodref_info 接口中方法的符号引用 tag(u1,值为11)、index(单位u2,指向声明方法接口在CONSTANT_Class_info的索引项)、index(单位u2,指向方法描述符在CONSTANT_NameAndType_info的索引项)
CONSTANT_NameAndType_info 字段或方法的部分符号引用 tag(u1,值为12)、index(单位u2,指向字段或方法名称在CONSTANT_Utf8_info的索引项)、index(单位u2,指向字段描述符或方法描述符的索引项)
CONSTANT_MethodHandle_info 表示方法句柄 tag(u1,值为15)、reference_kind(单位u1,值在1~9之间,表示方法句柄的字节码行为)、reference_index(单位u2,值是对常量池的索引)
CONSTANT_MethodType_info 标识方法类型 tag(u1,值为16)、descriptor_index(单位u2,指向方法描述符在CONSTANT_Utf8_info的索引项)
CONSTANT_InvokeDynamic_info 表示一个动态方法调用点 tag(u1)、bootstrap_method_attr_index(u2)、name_and_type_index(u2)

2)类的访问标识

标志名称 标志值 含义
ACC_PUBLIC 0x0001 是否为 public 类型
ACC_FINAL 0x0010 是否被声明为 final,只有类可设置
ACC_SUPER 0x0020 是否允许使用 invokespecial 字节码的新语意,invokespecial 指令的语意在 JDK 1.0.2 之后编译出来的类这个标志都必须为真
ACC_INTERFACE 0x0200 标识这是一个接口
ACC_ABSTRACT 0x0400 是否为 abstract 类型,对于接口或者抽象来说,此标志值为真,其他类值为假
ACC_SYNTHETIC 0x1000 标识这个类并非由用户代码产生的
ACC_ANNOTATION 0x2000 标识这是一个注解
ACC_ENUM 0x4000 标识这是一个枚举

3)字段表

包括:类变量(static修饰)和实例变量(非static修饰)

不会列出父类继承而来的字段

但有可能列出原本Java代码之中不存在的字段,如在内部类中为了保持对外部类的访问性,会自动添加指向外部类实例的字段

field_info {
    //字段访问标志
    u2             access_flags;
    //字段的名称(对常量池的引用)
    u2             name_index;
    //字段的描述符/字段的数据类型(对常量池的引用)
    u2             descriptor_index;
    //字段携带的属性表个数
    u2             attributes_count;
    //字段携带的属性表
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

access_flags(字段访问标志)

标志名称 标志值 含义
ACC_PUBLIC 0x0001 字段是否 public
ACC_PRIVATE 0x0002 字段是否 private
ACC_PROTECTED 0x0004 字段是否 protected
ACC_STATIC 0x0008 字段是否 static
ACC_FINAL 0x0010 字段是否 final
ACC_VOLATILE 0x0040 字段是否 volatile
ACC_TRANSIENT 0x0080 字段是否 transient
ACC_SYNTHETIC 0x1000 字段是否由编译器自动产生的
ACC_ENUM 0x4000 字段是否 enum

attribute_info(字段携带的属性表)

字段 final static int m = 123 (常量)
会存在一项名称为 ConstantValue 的属性,值指向常量池中的 123

4)方法表

如果父类方法在子类中没有被重写(Override),方法表集合中就不会出现来自父类的方法信息

但有可能会出现由编译器自动添加的方法,最典型的便是类构造器 <clinit> 方法(有static字段或static代码块才会出现)和实例构造器 <init> 方法

method_info {
    //方法访问标志
    u2             access_flags;
    //方法的名称(对常量池的引用)
    u2             name_index;
    //方法的描述符(对常量池的引用)
    u2             descriptor_index;
    //方法携带的属性表个数
    u2             attributes_count;
    //方法携带的属性表
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

access_flags(方法访问标志)

标志名称 标志值 含义
ACC_PUBLIC 0x0001 方法是否为 public
ACC_PRIVATE 0x0002 方法是否为 private
ACC_PROTECTED 0x0004 方法是否为 protected
ACC_STATIC 0x0008 方法是否为 static
ACC_FINAL 0x0010 方法是否为 final
ACC_SYNCHRONIZED 0x0020 方法是否为 synchronized
ACC_BRIDGE 0x0040 方法是否是由编译器产生的桥接方法
ACC_VARARGS 0x0080 方法是否接受不定参数
ACC_NATIVE 0x0100 方法是否为 native
ACC_ABSTRACT 0x0400 方法是否为 abstract
ACC_STRICT 0x0800 方法是否为 strictfp
ACC_SYNTHETIC 0x1000 方法是否是由编译器自动产生的

方法的描述

方法的定义: 可以通过访问标志、名称索引、描述符索引表达清楚

方法里的 java 代码: 经过编译器编译成字节码指令后,存放在方法携带的属性表 Code 中

方法的特征签名(区别类中方法的唯一性)

java语言中的特征签名: 方法名称、参数顺序、参数类型

字节码中的特征签名: 方法名称、参数顺序、参数类型、方法返回值、受查异常表

5)属性表

attribute_info {
    //属性表名称(对常量池的引用)
    u2 attribute_name_index;
    //属性表数据长度
    u4 attribute_length;
    //属性表数据
    u1 info[attribute_length];
}

虚拟机规范定义的属性

属性名称 使用位置 含义
Code 方法表 Java 代码编译成的字节码指令
ConstantValue 字段表 final 关键字定义的常量值
Deprecated 类、方法表、字段表 被声明为 deprecated 的方法和字段
Exceptions 方法表 方法抛出的异常
EnclosingMethod 类文件 仅当一个类为局部类或匿名类时才能拥有这个属性,这个属性用于标识这个类所在的外围方法
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 方法的局部变量表
StackMapTable Code 属性 JDK 1.6 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
Signature 类、方法表、字段表 JDK 1.5 中新增的属性,这个属性用于支持泛型情况下的方法签名,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
SourceFile 类文件 记录源文件名称
SourceDebugExtension 类文件 JDK 1.6 中新增的属性,SourceDebugExtension 属性用于存储额外的调试信息。譬如在进行 JPS 文件调试时,无法通过 Java 堆栈来定位到 JSP 文件的行号,JSR-45 规范为这些非 Java 语言编写,却需要编译成字节码并运行在 Java 虚拟机中的程序提供了一个进行调试的标准机制,使用 SourceDebugExtension 属性就可以用于存储这个标准所新加入的调试信息
Synthetic 类、方法表、字段表 标识方法或字段为编译器自动生成的
LocalVariableType JDK 1.5 中新增的属性,它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 JDK 1.5 中新增的属性,为动态注解提供支持。RuntimeVisibleAnnotations 属性用于指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 JDK 1.5 中新增的属性,与 RuntimeVisibleAnnotations 属性作用刚好相反,用于指明哪些注解是运行时不可见的
RuntimeVisibleParameterAnnotations 方法表 JDK 1.5 中新增的属性,作用与 RuntimeVisibleAnnotations 属性类似,只不过作用对象为方法参数
RuntimeInvisibleParameterAnnotations 方法表 JDK 1.5 中新增的属性,作用与 RuntimeInvisibleAnnotations 属性类似,只不过作用对象为方法参数
AnnotationDefault 方法表 JDK 1.5 中新增的属性,用于记录注解类元素的默认值
BootstrapMethods 类文件 JDK 1.7 中新增的属性,用于保存 invokedynamic 指令引用的引导方法限定符

ConstantValue属性

主要的作用是在 类加载的准备阶段 为 static final 字段(基本类型和String)赋值

ConstantValue_attribute {
    //常量名(对常量池的引用)
    u2 attribute_name_index;
    //占用的长度,固定为2
    u4 attribute_length;
    //对应的字面值在常量池中的索引
    u2 constantvalue_index;
}

只支持(基本类型和String)9种类型
String(CONSTANT_String_info)
boolean,byte,char,short,int(CONSTANT_Integer_info),共用常量池中的这个类型
long(CONSTANT_Long_info)
float(CONSTANT_Float_info)
double(CONSTANT_Double_info)

6)static final 常量理解

static final 修饰的 基本类型和String 9种类型字段,并且后面的赋值是常量(字面量)

static final int MAX = 100; 常量
static final int RANDOM = new Random().nextInt(); 非常量
static final String STR_0 = “str”; 常量
static final String STR_1 = new String(“str”); 非常量

在编译期就会将 常量的字面量 编译到 使用了此常量的类的相关字节码中替代原来的引用

class A{
    public static final int NUMBER = 100;
}

class B{
    public void test(){
        System.out.println(A.NUMBER);
    }
}

//编译后,B类的class文件中的test方法的字节码中直接变成了100这个常量
//也就是说此时的 B 和 A 无依赖关系


字节码数据的指令

字节码指令类型:操作码Opcode、操作数Operands

https://www.jianshu.com/p/1ad68e2b8cc1



虚拟机字节码执行引擎

TODO

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