3、字节码文件3.1、字节码文件

代码经由编译器编译之后便会天生一个字节码文件,字节码是一种二进制的类文件,它的内容是JVM的指令,而不像C、C++经由编译器直接天生机器码。
I

3.2、字节码指令

Java虚拟机的指令由一个字节长度的、代表着某种特定操作含义的操作码(opcode)以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数的操作数( operand)所构成。
为了简化,虚拟机中许多指令并不包含操作数,只有一个操作码。

3.3、查看二进制字节码3.3.1、利用Notepad++安装HEX-Editor插件后打开

jsp中定义class一文读懂Java的Class文件构造 RESTful API

3.3.2、利用Binary Viewer软件打开

4、Class文件构造4.1、字节码文件构造

官方文档:https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html

4.2、 class文件格式

Class 的构造不像XNL等描述措辞,由于它没有任何分隔符号。
以是在个中的数据项,无论是字节顺序还是数量,都是被严格限定的,哪个字节代表什么含义,长度是多少,先后顺序如何,都不许可改变。
Class 文件格式采取一种类似于C措辞构造体的办法进行数据存储,这种构造中只有两种数据类型:无符号数和表。

无符号数属于基本的数据类型,以u1、u2、u4、u8 来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和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、数量值或者按照 UTF-8编码构成字符串值。
表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型,所有表都习气性地以“_info”结尾。
表用于描述有层次关系的复合构造的数据,全体 Class 文件实质上便是一张表。
由于表没有固定长度,以是常日会在其前面加上个数解释5、魔数每个 Class 文件开头的 4 个字节的无符号整数称为魔数(Magic Number)它的唯一浸染是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接管的有效合法的 Class 文件。
即:魔数是 Class 文件的标识符。
魔数值固定为 0xCAFEBABE。
不会改变。
如果一个 Class 文件不以 0xCAFEBABE 开头,虚拟机在进行文件校验的时候就会直接抛出以下缺点:

Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try againException in thread "main" java.lang.ClassFormatError: Incompatible magic value 1885430635 in class file StringTest利用魔数而不是扩展名来进行识别紧张是基于安全方面的考虑,由于文件扩展名可以随意地改动。

6、文件版本号

紧接着魔数的 4 个字节存储的是 Class 文件的版本号。
同样也是 4 个字节。
第 5 个和第 6 个字节所代表的含义便是编译的副版本号 minor_version,而第 7 个和第 8 个字节便是编译的主版本号 major_version。
它们共同构成了 class 文件的格式版本号。
譬如某个 Class 文件的主版本号为 M,副版本号为 m,那么这个 Class 文件的格式版本号就确定为 M.m。
版本号和 Java 编译器的对应关系如下表:

Java 的版本号是从 45 开始的,JDK1.1 之后的每个 JDK 大版本发布主版本号向上加 1。
不同版本的 Java 编译器编译的 Class 文件对应的版本是不一样的。
目前,高版本的 Java 虚拟机可以实行由低版本编译器天生的 Class 文件,但是低版本的 Java 虚拟机不能实行由高版本编译器天生的 Class 文件。
否则 JVM 会抛出 java.lang.UnsupportedClassVersionError 非常。
(向下兼容)在实际运用中,由于开拓环境和生产环境的不同,可能会导致该问题的发生。
因此,须要我们在开拓时,特殊把稳开拓编译的 JDK 版本和生产环境中的 JDK 版本是否同等。

7、常量池凑集

常量池是 Class 文件中内容最为丰富的区域之一。
常量池对付 Class 文件中的字段和方法解析也有着至关主要的浸染。
随着 Java 虚拟机的不断发展,常量池的内容也日渐丰富。
可以说,常量池是全体 Class 文件的基石。
在版本号之后,紧随着的是常量池的数量,以及多少个常量池表项。
常量池中常量的数量是不固定的,以是在常量池的入口须要放置一项 u2 类型的无符号数,代表常量池容量计数值(constant_pool_count)。
与 Java 中措辞习气不一样的是,这个容量计数是从 1 而不是 0 开始的。
由于它把第 0 项常量空出来了。
这是为了知足后面某些指向常量池的索引值的数据在特定情形下须要表达“不引用任何一个常量池项目”的含义,这种情形可用索引值 0 来表示。

Class 文件利用了一个前置的容量计数器(constant_pool_count)加多少个连续的数据项(constant_pool)的形式来描述常量池内容。
我们把这一系列连续常量池数据称为常量池凑集。
常量池表项中,用于存放编译期间天生的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放

7.1、常量池计数器

由于常量池的数量不固定,时永劫短,以是须要放置两个字节来表示常量池容量计数值。
常量池容量计数值(u2 类型):从 1 开始,表示常量池中有多少项常量。
即 constant_pool_count=1 表示常量池中有 0 个常量项。

7.2、常量池表

constant_pool 是一种表构造,以 1 ~ constant_pool_count - 1 为索引。
表明了后面有多少个常量项。
常量池紧张存放两大类常量:字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)。
它包含了 class 文件构造及其子构造中引用的所有字符串常量、类或接口名、字段名和其他常量。
常量池中的每一项都具备相同的特色。
第 1 个字节作为类型标记,用于确定该项的格式,这个字节称为 tag byte(标记字节、标具名节)。

字面量和符号引用 常量池紧张存放两大类常量:字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)。
如下表:

常量

详细的常量

字面量

文本字符串,例:String str = "sun";

声明为 final 的常量值,例:final int num=1;

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

全限定名

com/sun/jvm02/ClassResolve这个便是类的全限定名,仅仅是把包名的“.“更换成”/”,为了使连续的多个全限定名之间不产生稠浊,在利用时末了一样平常会加入一个“;”表示全限定名结束。

大略名称

大略名称是指没有类型和参数润色的方法或者字段名称。

描述符

描述符的浸染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)和返回值。
根据描述符规则,基本数据类型(byte、char、double、float、int、long、short、boolean)以及代表无返回值的 void 类型都用一个大写字符来表示,而工具类型则用字符 L 加工具的全限定名来表示,详见下表:

标志符

含义

B

基本数据类型 byte

C

基本数据类型 char

D

基本数据类型 double

F

基本数据类型 float

I

基本数据类型 int

J

基本数据类型 long

S

基本数据类型 short

Z

基本数据类型 boolean

V

代表 void 类型

L

工具类型,比如:Ljava/lang/Object;

[

数组类型,代表一维数组。
比如:`double[] is [D

用描述符来描述方法时,按照先参数列表,后返回值的顺序描述,参数列表按照参数的严格顺序放在一组小括号“()”之内。
如方法 java.lang.String tostring()的描述符为()Ljava/lang/String; ,方法 int abc(int[]x, int y)的描述符为([II)I。

虚拟机在加载 Class 文件时才会进行动态链接,也便是说,Class 文件中不会保存各个方法和字段的终极内存布局信息。
因此,这些字段和方法的符号引用不经由转换是无法直接被虚拟机利用的。
当虚拟机运行时,须要从常量池中得到对应的符号引用,再在类加载过程中的解析阶段将其更换为直接引用,并翻译到详细的内存地址中。

符号引用:符号引用以一组符号来描述所引用的目标,符号可以是任何形式的字面量,只要利用时能无歧义地定位到目标即可。
符号引用与虚拟机实现的内存布局无关,引用的目标并不一定已经加载到了内存中。
直接引用:直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。
直接引用是与虚拟机实现的内存布局干系的,同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一样平常不会相同。
如果有了直接引用,那解释引用的目标必定已经存在于内存之中了。

常量池中每一项常量都是一个表,J0K1.7 之后共有 14 种不同的表构造数据。
根据上图每个类型的描述我们也可以知道每个类型是用来描述常量池中哪些内容(紧张是字面量、符号引用)的。
比如: CONSTANT_Integer_info 是用来描述常量池中字面量信息的,而且只是整型字面量信息。
标志为 15、16、18 的常量项类型是用来支持动态措辞调用的(jdk1.7 时才加入的)。

常量池总结 :

这 14 种表(或者常量项构造)的共同点是:表开始的第一位是一个 u1 类型的标志位(tag),代表当前这个常量项利用的是哪种表构造,即哪种常量类型。
在常量池列表中,CONSTANT_Utf8_info 常量项是一种利用改进过的 UTF-8 编码格式来存储诸如笔墨字符串、类或者接口的全限定名、字段或者方法的大略名称以及描述符等常量字符串信息。
这 14 种常量项构造还有一个特点是,个中 13 个常量项占用的字节固定,只有 CONSTANT_Utf8_info 占用字节不固定,其大小由 length 决定。
为什么呢?由于从常量池存放的内容可知,其存放的是字面量和符号引用,终极这些内容都会是一个字符串,这些字符串的大小是在编写程序时才确定,比如你定义一个类,类名可以取长取短,以是在没编译前,大小不固定,编译后,通过 utf-8 编码,就可以知道其长度。

常量池:可以理解为 Class 文件之中的资源仓库,它是 Class 文件构造中与其他项目关联最多的数据类型(后面的很多数据类型都会指向此处),也是占用 Class 文件空间最大的数据项目之一。
Java 代码在进行 Javac 编译的时候,并不像 C 和 C++那样有“连接”这一步骤,而是在虚拟机加载 C1ass 文件的时候进行动态链接。
也便是说,在 Class 文件中不会保存各个方法、字段的终极内存布局信息,因此这些字段、方法的符号引用不经由运行期转换的话无法得到真正的内存入口地址,也就无法直接被虚拟机利用。
当虚拟机运行时,须要从常量池得到对应的符号引用,再在类创建时或运行时解析、翻译到详细的内存地址之中。

8、访问标志

在常量池后,紧随着访问标记。
该标记利用两个字节表示,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 类型;是否定义为 abstract 类型;如果是类的话,是否被声明为 final 等。
各种访问标记如下所示:

标志名称

标志值

含义

ACC_PUBLIC

0x0001

标志为 public 类型

ACC_FINAL

0x0010

标志被声明为 final,只有类可以设置

ACC_SUPER

0x0020

标志许可利用 invokespecial 字节码指令的新语义,JDK1.0.2 之后编译出来的类的这个标志默认为真。
(利用增强的方法调用父类方法)

ACC_INTERFACE

0x0200

标志这是一个接口

ACC_ABSTRACT

0x0400

是否为 abstract 类型,对付接口或者抽象类来说,次标志值为真,其他类型为假

ACC_SYNTHETIC

0x1000

标志此类并非由用户代码产生(即:由编译器产生的类,没有源码对应)

ACC_ANNOTATION

0x2000

标志这是一个表明

ACC_ENUM

0x4000

标志这是一个列举

类的访问权限常日为 ACC_开头的常量。
每一种类型的表示都是通过设置访问标记的 32 位中的特定位来实现的。
比如,若是 public final 的类,则该标记为 ACC_PUBLIC | ACC_FINAL。
利用 ACC_SUPER 可以让类更准确地定位到父类的方法 super.method(),当代编译器都会设置并且利用这个标记。

带有 ACC_INTERFACE 标志的 class 文件表示的是接口而不是类,反之则表示的是类而不是接口。
如果一个 class 文件被设置了 ACC_INTERFACE 标志,那么同时也得设置 ACC_ABSTRACT 标志。
同时它不能再设置 ACC_FINAL、ACC_SUPER 或 ACC_ENUM 标志。
如果没有设置 ACC_INTERFACE 标志,那么这个 class 文件可以具有上表中除 ACC_ANNOTATION 外的其他所有标志。
当然,ACC_FINAL 和 ACC_ABSTRACT 这类互斥的标志除外。
这两个标志不得同时设置。
ACC_SUPER 标志用于确定类或接口里面的 invokespecial 指令利用的是哪一种实行语义。
针对 Java 虚拟机指令集的编译器都应该设置这个标志。
对付 Java SE 8 及后续版本来说,无论 class 文件中这个标志的实际值是什么,也不管 class 文件的版本号是多少,Java 虚拟机都认为每个 class 文件均设置了 ACC_SUPER 标志。
ACC_SUPER 标志是为了向后兼容由旧 Java 编译器所编译的代码而设计的。
目前的 ACC_SUPER 标志在由 JDK1.0.2 之前的编译器所天生的 access_flags 中是没有确定含义的,如果设置了该标志,那么 0racle 的 Java 虚拟机实现会将其忽略。
ACC_SYNTHETIC 标志意味着该类或接口是由编译器天生的,而不是由源代码天生的。
表明类型必须设置 ACC_ANNOTATION 标志。
如果设置了 ACC_ANNOTATION 标志,那么也必须设置 ACC_INTERFACE 标志。
ACC_ENUM 标志表明该类或其父类为列举类型。

9、类索引、父类索引、接口索引

在访问标记后,会指定该类的种别、父类种别以及实现的接口,格式如下:

长度

含义

u2

this_class

u2

super_class

u2

interfaces_count

u2

interfaces[interfaces_count]

类索引、父类索引、接口索引这三项数据来确定这个类的继续关系:

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。
由于 Java 措辞不许可多重继续,以是父类索引只有一个,除了 java.lang.Object 之外,所有的 Java 类都有父类。
接口索引凑集就用来描述这个类实现了哪些接口,这些被实现的接口将按 implements 语句(如果这个类本身是一个接口,则应该是 extends 语句)后的接口顺序从左到右排列在接口索引凑集中。
9.1、this_class(类索引)

2 字节无符号整数,指向常量池的索引。
它供应了类的全限定名,如 com/sun/jvm02/ClassResolve。
this_class 的值必须是对常量池表中某项的一个有效索引值。
常量池在这个索引处的成员必须为 CONSTANT_Class_info 类型构造体,该构造体表示这个 class 文件所定义的类或接口。

9.2、super_class(父类索引)

2 字节无符号整数,指向常量池的索引。
它供应了当前类的父类的全限定名。
如果我们没有继续任何类,其默认继续的是 java/lang/object 类。
同时,由于 Java 不支持多继续,以是其父类只有一个。
super_class 指向的父类不能是 final。

9.3、interfaces

指向常量池索引凑集,它供应了一个符号引用到所有已实现的接口

由于一个类可以实现多个接口,因此须要以数组形式保存多个接口的索引,表示接口的每个索引也是一个指向常量池的 CONSTANT_Class(当然这里就必须是接口,而不是类)。

interfaces_count(接口计数器):表示当前类或接口的直接超接口数量。
interfaces[](接口索引凑集):每个成员的值必须是对常量池表中某项的有效索引值,它的长度为 interfaces_count。
每个成员 interfaces[i]必须为 CONSTANT_Class_info 构造,个中 0 <= i < interfaces_count。
在 interfaces[]中,各成员所表示的接口顺序和对应的源代码中给定的接口顺序(从左至右)一样,即 interfaces[0]对应的是源代码中最左边的接口。

后续先容字段表凑集、方法表凑集、属性表凑集。