JVM 之字节码（.class）文件

本文中的内容参考B站尚硅谷宋红康JVM全套教程

你将获得：

1、掌握字节码文件的结构

2、掌握Java源代码如何在JVM中执行

3、掌握一些虚拟机指令

4、回答一些面试题

课程介绍

  • 通过几个面试题初始字节码文件
  • 为什么学习class字节码文件
  • 什么是class字节码文件
  • 分析class字节码文件的几种方式
  • class字节码文件结构解读（内容较多）
  • 一些字节码指令说明

适合人群

想了解class字节码文件结构的后端开发人员

目录

  • 通过几个面试题初始字节码文件
  • 为什么学习class字节码文件
  • 什么是class字节码文件
  • 分析class字节码文件的几种方式
  • class字节码文件结构解读（内容较多）
  • 一些字节码指令说明

面试题一：说出下面代码的运行结果，并分析原因。

public class IntegerTest {public static void main(String[] args) {Integer i1 = 10;int i2 = 10;System.out.println(i1 == i2);// trueInteger i3 = 5;Integer i4 = 5;System.out.println(i3 == i4);Integer i5 = 128;Integer i6 = 128;System.out.println(i5 == i6);}
}

面试题二：说出下面代码的运行结果，并分析原因。

public class StringTest {public static void main(String[] args) {String s1 = "helloworld";String s2 = "hello" + "world";System.out.println(s1 == s2);String s3 = new String("hello") + new String("world");System.out.println(s1 == s3);String s4 = new String("helloword");System.out.println(s1 == s4);}
}

面试题三：说出下面代码的运行结果，并分析原因。

public class DemoTest {/*** 测试 i++ 和 ++i*/@Testpublic void method1() {int i = 10;++i;System.out.println(i);}@Testpublic void method2() {int i = 10;i++;System.out.println(i);}@Testpublic void method3() {int i = 10;int j = i++;int m = 10;int n = ++m;System.out.println("j=" + j);System.out.println("n=" + n);}@Testpublic void method4() {int i = 10;i = ++i;System.out.println(i);}
}

面试题四：下面代码的运行结果，分析原因

public class SonTest {@Testpublic void test() {Father f = new Son();f.print();System.out.println(f.x);}}class Father {int x = 10;public Father() {this.print();x = 20;}public void print() {System.out.println("Father.x=" + x);}
}class Son extends Father{int x = 30;public Son() {this.print();x = 40;}public void print() {System.out.println("Son.x=" + x);}
}

为什么学习字节码文件

对于业务开发人员来说，不需要学习字节码也可以完成开发，学习各种开发框架和工具就可以了，但是对于有追求的技术人员来说，还是非常有必要学习了解字节码文件的。

学习字节码的好处：

1、帮助我们查看Java代码层面无法看到的细节

2、帮助深入理解jvm的运行机制

3、帮助回答一些面试题

首先介绍一下Java语言，如下所述：

Java语言：跨平台的语言

为什么说Java语言是跨平台的语言，因为Java源代码通过编译器编译成字节码后，字节码就可以在各个平台的JVM上运行，也就是 write once, run anywhere，但是这个优势已经不再那么吸引人了，因为很多语言都有强大的解释器，比如 groovy 、javascript、perl、ruby 都可以被编译成字节码在不同的平台运行，跨平台已经成为一门语言的必要特性。

Java虚拟机：跨语言的平台

java 虚拟机不和包括Java语言在内的任何语言绑定，它只与class文件这种特定的二进制文件关联。不管使用何种语言开发，只要能够编译成正确的class文件，那么就可以在Java 虚拟机上面运行。也就是说，统一而强大的class文件结构是Java虚拟机的基石和桥梁。

什么是class字节码文件

class 文件本质

class 文件的本质是以8位字节为基础单位的二进制流，一个class 文件对应一个类或接口的定义信息，但是class文件并不一定以磁盘文件形式存在，也就是说class文件可以通过网络进行传输，类加载器可以从网络中加载类信息。

class 文件格式

class 文件格式不像 XML等描述语言，由于它没有任何分隔符，所以在其中的数据项，无论是字节顺序还是数量都被严格限定，哪个字节代表什么含义，长度是多少，先后顺序如何，都不允许改变。

因为class文件各个数据项按顺序紧密的从前向后排列， 相邻的项之间没有间隙， 这样可以使得class文件非常紧凑， 体积轻巧， 可以被JVM快速的加载至内存， 并且占据较少的内存空间（方便于网络的传输）。

class 文件格式采用了一种类似 C 语言结构体的方式进行存储，这种格式有两种数据类型：无符号数和表

数据类型定义说明
无符号数无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或按照utf-8编码构成的字符串值。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
表表是由多个无符号数或其他表构成的复合数据结构。所有的表都以“_info”结尾。 由于表没有固定长度，所以通常会在其前面加上个数说明。

class文件的内容是JVM的字节码指令，而不像C、C++经过编译器直接生成机器码。

什么是字节码指令？

JVM的字节码指令是由一个字节长度代表着某种特定含义的操作码和紧跟其后的零个或一个代表此操作所需参数的操作数所构成。虚拟机有许多指令不包含操作数，只有一个操作码。

JVM的字节码指令 = 操作码 （操作数）

分析class字节码文件的几种方式

方式一：直接查看二进制文件。这里通过vs code查看，需要安装 Hex Editor 插件，如下所示：

方式二：在idea中查看。需要在idea中安装 jclasslib Bytecode Viewer 插件。

方式三：使用javap命令查看。

javap -v class文件名

方式四：使用idea的插件 Binary/hexadecimal editor

1. class字节码文件解读

1.1. Class字节码文件结构

java 虚拟机 class 文件结构官方文档

简单说明如下：

类型名称说明长度数量
魔数u4magic魔数,识别Class文件格式4个字节1
版本号u2minor_version副版本号(小版本)2个字节1
u2major_version主版本号(大版本)2个字节1
常量池集合u2constant_pool_count常量池计数器2个字节1
cp_infoconstant_pool常量池表n个字节constant_pool_count - 1
访问标识u2access_flags访问标识2个字节1
索引集合u2this_class类索引2个字节1
u2super_class父类索引2个字节1
u2interfaces_count接口计数器2个字节1
u2interfaces接口索引集合2个字节interfaces_count
字段表集合u2fields_count字段计数器2个字节1
field_infofields字段表n个字节fields_count
方法表集合u2methods_count方法计数器2个字节1
method_infomethods方法表n个字节methods_count
属性表集合u2attributes_count属性计数器2个字节1
attribute_infoattributes属性表n个字节attributes_count

public class MyClass extends Father implements Interface {

private int name ;

public void test() {}

}

1.2. 字节码数据类型

数据类型定义说明
无符号数无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或按照utf-8编码构成的字符串值。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
表表是由多个无符号数或其他表构成的复合数据结构。所有的表都以“_info”结尾。 由于表没有固定长度，所以通常会在其前面加上个数说明。

1.3. 魔数

Magic Number（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）
  • 它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的有效合法的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错误：
Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again
Exception in thread "main" java.lang.ClassFormatError: Incompatible magic value 1885430635 in class file StringTest
  • 使用魔数而不是扩展名来进行识别主要是基于安全方面的考虑，因为文件扩展名可以随意地改动。

1.4. 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就是编译的副版本号minor_version，而第7个和第8个字节就是编译的主版本号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：

1.4.1. Class文件版本号对应关系

主版本（十进制）副版本（十进制）编译器版本
4531.1
4601.2
4701.3
4801.4
4901.5
5001.6
5101.7
5201.8
5301.9
5401.10
5501.11

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虚拟机可以执行由低版本编译器生成的Class文件，但是低版本的Java虚拟机不能执行由高版本编译器生成的Class文件。否则JVM会抛出java.lang.UnsupportedClassVersionError异常。（向下兼容）

在实际应用中，由于开发环境和生产环境的不同，可能会导致该问题的发生。因此，需要我们在开发时，特别注意开发编译的JDK版本和生产环境中的JDK版本是否一致。

  • 虚拟机JDK版本为1.k（k>=2）时，对应的class文件格式版本号的范围为45.0 - 44+k.0（含两端）。

1.5. 常量池集合

常量池是Class文件中内容最为丰富的区域之一。常量池对于Class文件中的字段和方法解析也有着至关重要的作用。

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，常量池是整个Class文件的基石。

常量池数据类型官方文档

1.5.1. 常量池计数器

constant_pool_count（常量池计数器）

在版本号之后，紧跟着的是常量池的数量，以及若干个常量池表项。

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类型的无符号数，代表常量池容量计数值（constant_pool_count）。

类型名称数量
u2（无符号数）constant_pool_count1
cp_info（表）constant_poolconstant_pool_count - 1

由上表可见，Class文件使用了一个前置的容量计数器（constant_pool_count）加若干个连续的数据项（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集合。

  • 由于常量池的数量不固定，时长时短，所以需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）：与Java中语言习惯不一样的是，这个容量计数是从1而不是0开始的，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。

通常我们写代码时都是从0开始的，但是这里的常量池却是从1开始，因为它把第0项常量空出来了。这是为了满足后面某些指向常量池的索引值的数据在特定情况下需要表达“不引用任何一个常量池项目”的含义，这种情况可用索引值0来表示。

1.5.2. 常量池表

常量池表项中用于存放编译时期生成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

constant_pool是一种表结构，以1 ~ constant_pool_count - 1为索引。表明了后面有多少个常量项。

常量池主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References）

它包含了class文件结构及其子结构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征。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、标签字节）。

类型tag (标志或标识)描述
CONSTANT_Utf8_info1UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info3整型字面量
CONSTANT_Float_info4浮点型字面量
CONSTANT_Long_info5长整型字面量
CONSTANT_Double_info6双精度浮点型字面量
CONSTANT_Class_info7类或接口的符号引用
CONSTANT_String_info8字符串类型字面量
CONSTANT_Fieldref_info9字段的符号引用
CONSTANT_Methodref_info10类中方法的符号引用
CONSTANT_InterfaceMethodref_info11接口中方法的符号引用
CONSTANT_NameAndType_info12字段或方法的符号引用
CONSTANT_MethodHandle_info15表示方法句柄
CONSTANT_MethodType_info16标志方法类型
CONSTANT_InvokeDynamic_info18表示一个动态方法调用点

Ⅰ. 字面量和符号引用

在对这些常量解读前，我们需要搞清楚几个概念。

常量池主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References）。如下表：

常量具体的常量
字面量文本字符串
声明为final的常量值
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/atguigu/test/Demo这个就是类的全限定名，仅仅是把包名的“.“替换成”/”，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

简单名称是指没有类型和参数修饰的方法或者字段名称。

描述符

描述符的作用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，而对象类型则用字符L加对象的全限定名来表示，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对象类型，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。

补充说明：

虚拟机在加载Class文件时才会进行动态链接，也就是说，Class文件中不会保存各个方法和字段的最终内存布局信息。因此，这些字段和方法的符号引用不经过转换是无法直接被虚拟机使用的。当虚拟机运行时，需要从常量池中获得对应的符号引用，再在类加载过程中的解析阶段将其替换为直接引用，并翻译到具体的内存地址中。

这里说明下符号引用和直接引用的区别与关联：

  • 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，只要使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相关的，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般不会相同。如果有了直接引用，那说明引用的目标必定已经存在于内存之中了。

Ⅱ. 常量类型和结构

常量池类型官方文档，下面是对各个类型的汇总说明。

常量池中每一项常量都是一个表，J0K1.7之后共有14种不同的表结构数据。如下表格所示：

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（主要是字面量、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语言调用的（jdk1.7时才加入的）。

细节说明:

  • CONSTANT_Class_info结构用于表示类或接口
  • CONSTAT_Fieldref_info、CONSTAHT_Methodref_info和CONSTANIT_InterfaceMethodref_info结构表示字段、方法和接口的符号引用
  • CONSTANT_String_info结构用于表示示String类型的常量对象
  • CONSTANT_Integer_info和CONSTANT_Float_info表示4字节（int和float）的数值常量
  • CONSTANT_Long_info和CONSTAT_Double_info结构表示8字作（long和double）的数值常量
  • CONSTANT_NameAndType_info结构用于表示字段或方法，但是和之前的3个结构不同，CONSTANT_NameAndType_info结构没有指明该字段或方法所属的类或接口。
  • CONSTANT_Utf8_info用于表示字符常量的值
  • CONSTANT_MethodHandle_info结构用于表示方法句柄
  • CONSTANT_MethodType_info结构表示方法类型
  • CONSTANT_InvokeDynamic_info结构表示invokedynamic指令所用到的引导方法(bootstrap method)、引导方法所用到的动态调用名称(dynamic invocation name)、参数和返回类型，并可以给引导方法传入一系列称为静态参数（static argument）的常量。

解析方法：

  • 一个字节一个字节的解析

  • 使用javap命令解析：javap-verbose Demo.class或jclasslib工具会更方便。

总结1：

  • 这14种表（或者常量项结构）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使用的是哪种表结构，即哪种常量类型。
  • 在常量池列表中，CONSTANT_Utf8_info常量项是一种使用改进过的UTF-8编码格式来存储诸如文字字符串、类或者接口的全限定名、字段或者方法的简单名称以及描述符等常量字符串信息。
  • 这14种常量项结构还有一个特点是，其中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？因为从常量池存放的内容可知，其存放的是字面量和符号引用，最终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，所以在没编译前，大小不固定，编译后，通过utf-8编码，就可以知道其长度。

总结2：

  • 常量池：可以理解为Class文件之中的资源仓库，它是Class文件结构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。
  • 常量池中为什么要包含这些内容？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。也就是说，在Class文件中不会保存各个方法、字段的最终内存布局信息，因此这些字段、方法的符号引用不经过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使用。当虚拟机运行时，需要从常量池获得对应的符号引用，再在类创建时或运行时解析、翻译到具体的内存地址之中。关于类的创建和动态链接的内容，在虚拟机类加载过程时再进行详细讲解

1.6. 访问标志

访问标识（access_flag、访问标志、访问标记）

在常量池后，紧跟着访问标记。该标记使用两个字节表示，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_PUBLIC0x0001标志为public类型
ACC_FINAL0x0010标志被声明为final，只有类可以设置
ACC_SUPER0x0020标志允许使用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。（使用增强的方法调用父类方法）
ACC_INTERFACE0x0200标志这是一个接口
ACC_ABSTRACT0x0400是否为abstract类型，对于接口或者抽象类来说，次标志值为真，其他类型为假
ACC_SYNTHETIC0x1000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_ANNOTATION0x2000标志这是一个注解
ACC_ENUM0x4000标志这是一个枚举

类的访问权限通常为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。

使用ACC_SUPER可以让类更准确地定位到父类的方法super.method()，现代编译器都会设置并且使用这个标记。

补充说明：

  1. 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。
  1. ACC_SUPER标志用于确定类或接口里面的invokespecial指令使用的是哪一种执行语义。针对Java虚拟机指令集的编译器都应当设置这个标志。对于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之前的编译器所生成的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。
  1. ACC_SYNTHETIC标志意味着该类或接口是由编译器生成的，而不是由源代码生成的。
  2. 注解类型必须设置ACC_ANNOTATION标志。如果设置了ACC_ANNOTATION标志，那么也必须设置ACC_INTERFACE标志。
  3. ACC_ENUM标志表明该类或其父类为枚举类型。

1.7. 类索引、父类索引、接口索引

在访问标记后，会指定该类的类别、父类类别以及实现的接口，格式如下：

长度含义
u2this_class
u2super_class
u2interfaces_count
u2interfaces[interfaces_count]

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。由于Java语言不允许多重继承，所以父类索引只有一个，除了java.1ang.Object之外，所有的Java类都有父类，因此除了java.lang.Object外，所有Java类的父类索引都不为0。
  • 接口索引集合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，则应当是extends语句）后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。

1.7.1. this_class（类索引）

2字节无符号整数，指向常量池的索引。它提供了类的全限定名，如com/atguigu/java1/Demo。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类型结构体，该结构体表示这个class文件所定义的类或接口。

1.7.2. super_class（父类索引）

2字节无符号整数，指向常量池的索引。它提供了当前类的父类的全限定名。如果我们没有继承任何类，其默认继承的是java/lang/object类。同时，由于Java不支持多继承，所以其父类只有一个。

super_class指向的父类不能是final。

1.7.3. interfaces

指向常量池索引集合，它提供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，因此需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）。

Ⅰ. interfaces_count（接口计数器）

interfaces_count项的值表示当前类或接口的直接超接口数量。

Ⅱ. interfaces[]（接口索引集合）

interfaces[]中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结构，其中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。

1.8. 字段表集合

fields

用于描述接口或类中声明的变量。字段（field）包括类级变量以及实例级变量，但是不包括方法内部、代码块内部声明的局部变量。

字段叫什么名字、字段被定义为什么数据类型，这些都是无法固定的，只能引用常量池中的常量来描述。

它指向常量池索引集合，它描述了每个字段的完整信息。比如字段的标识符、访问修饰符（public、private或protected）、是类变量还是实例变量（static修饰符）、是否是常量（final修饰符）等。

注意事项：

  • 字段表集合中不会列出从父类或者实现的接口中继承而来的字段，但有可能列出原本Java代码之中不存在的字段。譬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。
  • 在Java语言中字段是无法重载的，两个字段的数据类型、修饰符不管是否相同，都必须使用不一样的名称，但是对于字节码来讲，如果两个字段的描述符不一致，那字段重名就是合法的。

1.8.1. 字段计数器

fields_count（字段计数器）

fields_count的值表示当前class文件fields表的成员个数。使用两个字节来表示。

fields表中每个成员都是一个field_info结构，用于表示该类或接口所声明的所有类字段或者实例字段，不包括方法内部声明的变量，也不包括从父类或父接口继承的那些字段。

标志名称标志值含义数量
u2access_flags访问标志1
u2name_index字段名索引1
u2descriptor_index描述符索引1
u2attributes_count属性计数器1
attribute_infoattributes属性集合attributes_count

1.8.2. 字段表

Ⅰ. 字段表访问标识

我们知道，一个字段可以被各种关键字去修饰，比如：作用域修饰符（public、private、protected）、static修饰符、final修饰符、volatile修饰符等等。因此，其可像类的访问标志那样，使用一些标志来标记字段。字段的访问标志有如下这些：

标志名称标志值含义
ACC_PUBLIC0x0001字段是否为public
ACC_PRIVATE0x0002字段是否为private
ACC_PROTECTED0x0004字段是否为protected
ACC_STATIC0x0008字段是否为static
ACC_FINAL0x0010字段是否为final
ACC_VOLATILE0x0040字段是否为volatile
ACC_TRANSTENT0x0080字段是否为transient
ACC_SYNCHETIC0x1000字段是否为由编译器自动产生
ACC_ENUM0x4000字段是否为enum

Ⅱ. 描述符索引

描述符的作用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）及代表无返回值的void类型都用一个大写字符来表示，而对象则用字符L加对象的全限定名来表示，如下所示：

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对象类型，比如：Ljava/lang/Object;
[数组类型，代表一维数组。比如：`double[][][] is [[[D

Ⅲ. 属性表集合

一个字段还可能拥有一些属性，用于存储更多的额外信息。比如初始化值、一些注释信息等。属性个数存放在attribute_count中，属性具体内容存放在attributes数组中。

// 以常量属性为例，结构为：
ConstantValue_attribute{u2 attribute_name_index;u4 attribute_length;u2 constantvalue_index;
}

说明：对于常量属性而言，attribute_length值恒为2。

1.9. 方法表集合

methods：指向常量池索引集合，它完整描述了每个方法的签名。

  • 在字节码文件中，每一个method_info项都对应着一个类或者接口中的方法信息。比如方法的访问修饰符（public、private或protected），方法的返回值类型以及方法的参数信息等。
  • 如果这个方法不是抽象的或者不是native的，那么字节码中会体现出来。
  • 一方面，methods表只描述当前类或接口中声明的方法，不包括从父类或父接口继承的方法。另一方面，methods表有可能会出现由编译器自动添加的方法，最典型的便是编译器产生的方法信息（比如：类（接口）初始化方法()和实例初始化方法()）。

使用注意事项：

在Java语言中，要重载（Overload）一个方法，除了要与原方法具有相同的简单名称之外，还要求必须拥有一个与原方法不同的特征签名，特征签名就是一个方法中各个参数在常量池中的字段符号引用的集合，也就是因为返回值不会包含在特征签名之中，因此Java语言里无法仅仅依靠返回值的不同来对一个已有方法进行重载。但在Class文件格式中，特征签名的范围更大一些，只要描述符不是完全一致的两个方法就可以共存。也就是说，如果两个方法有相同的名称和特征签名，但返回值不同，那么也是可以合法共存于同一个class文件中。

也就是说，尽管Java语法规范并不允许在一个类或者接口中声明多个方法签名相同的方法，但是和Java语法规范相反，字节码文件中却恰恰允许存放多个方法签名相同的方法，唯一的条件就是这些方法之间的返回值不能相同。

1.9.1. 方法计数器

methods_count（方法计数器）

methods_count的值表示当前class文件methods表的成员个数。使用两个字节来表示。

methods表中每个成员都是一个method_info结构。

1.9.2. 方法表

methods[]（方法表）

methods表中的每个成员都必须是一个method_info结构，用于表示当前类或接口中某个方法的完整描述。如果某个method_info结构的access_flags项既没有设置ACC_NATIVE标志也没有设置ACC_ABSTRACT标志，那么该结构中也应包含实现这个方法所用的Java虚拟机指令。

method_info结构可以表示类和接口中定义的所有方法，包括实例方法、类方法、实例初始化方法和类或接口初始化方法

方法表的结构实际跟字段表是一样的，方法表结构如下：

标志名称标志值含义数量
u2access_flags访问标志1
u2name_index方法名索引1
u2descriptor_index描述符索引1
u2attributes_count属性计数器1
attribute_infoattributes属性集合attributes_count

方法表访问标志

跟字段表一样，方法表也有访问标志，而且他们的标志有部分相同，部分则不同，方法表的具体访问标志如下：

标志名称标志值含义
ACC_PUBLIC0x0001public，方法可以从包外访问
ACC_PRIVATE0x0002private，方法只能本类访问
ACC_PROTECTED0x0004protected，方法在自身和子类可以访问
ACC_STATIC0x0008static，静态方法

1.10. 属性表集合

属性表官方文档地址

方法表集合之后的属性表集合，指的是class文件所携带的辅助信息，比如该class文件的源文件的名称。以及任何带有RetentionPolicy.CLASS 或者RetentionPolicy.RUNTIME的注解。这类信息通常被用于Java虚拟机的验证和运行，以及Java程序的调试，一般可以了解。

此外，字段表、方法表都可以有自己的属性表。用于描述某些场景专有的信息。

属性表集合的限制没有那么严格，不再要求各个属性表具有严格的顺序，并且只要不与已有的属性名重复，任何人实现的编译器都可以向属性表中写入自己定义的属性信息，但Java虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。

1.10.1. 属性计数器

attributes_count（属性计数器）

attributes_count的值表示当前class文件属性表的成员个数。属性表中每一项都是一个attribute_info结构。

1.10.2. 属性表

attributes[]（属性表）

属性表的每个项的值必须是attribute_info结构。属性表的结构比较灵活，各种不同的属性只要满足以下结构即可。

属性的通用格式

类型名称数量含义
u2attribute_name_index1属性名索引
u4attribute_length1属性长度
u1infoattribute_length属性表

属性类型

属性表实际上可以有很多类型，上面看到的Code属性只是其中一种，Java8里面定义了23种属性。下面这些是虚拟机中预定义的属性：

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关键字定义的常量池
Deprecated类，方法，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者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
InnerClass类文件内部类列表
LineNumberTableCode属性Java源码的行号与字节码指令的对应关系
LocalVariableTableCode属性方法的局部变量描述
StackMapTableCode属性JDK1.6中新增的属性，供新的类型检查检验器和处理目标方法的局部变量和操作数有所需要的类是否匹配
Signature类，方法表，字段表用于支持泛型情况下的方法签名
SourceFile类文件记录源文件名称
SourceDebugExtension类文件用于存储额外的调试信息
Synthetic类，方法表，字段表标志方法或字段为编译器自动生成的
LocalVariableTypeTable类是哟很难过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，字段表为动态注解提供支持
RuntimeInvisibleAnnotations类，方法表，字段表用于指明哪些注解是运行时不可见的
RuntimeVisibleParameterAnnotation方法表作用与RuntimeVisibleAnnotations属性类似，只不过作用对象或方法
RuntimeInvisibleParameterAnnotation方法表作用与RuntimeInvisibleAnnotations属性类似，只不过作用对象或方法
AnnotationDefault方法表用于记录注解类元素的默认值
BootstrapMethods类文件用于保存invokeddynamic指令引用的引导方法限定符

或者（查看官网）

部分属性详解

① ConstantValue属性

ConstantValue属性表示一个常量字段的值。位于field_info结构的属性表中。

ConstantValue_attribute{u2 attribute_name_index;u4 attribute_length;u2 constantvalue_index;//字段值在常量池中的索引，常量池在该索引处的项给出该属性表示的常量值。（例如，值是1ong型的，在常量池中便是CONSTANT_Long）
}

② Deprecated 属性

Deprecated 属性是在JDK1.1为了支持注释中的关键词@deprecated而引入的。

Deprecated_attribute{u2 attribute_name_index;u4 attribute_length;
}

③ Code属性

Code属性就是存放方法体里面的代码。但是，并非所有方法表都有Code属性。像接口或者抽象方法，他们没有具体的方法体，因此也就不会有Code属性了。Code属性表的结构，如下图：

类型名称数量含义
u2attribute_name_index1属性名索引
u4attribute_length1属性长度
u2max_stack1操作数栈深度的最大值
u2max_locals1局部变量表所需的存续空间
u4code_length1字节码指令的长度
u1codecode_lenth存储字节码指令
u2exception_table_length1异常表长度
exception_infoexception_tableexception_length异常表
u2attributes_count1属性集合计数器
attribute_infoattributesattributes_count属性集合

可以看到：Code属性表的前两项跟属性表是一致的，即Code属性表遵循属性表的结构，后面那些则是他自定义的结构。

④ InnerClasses 属性

为了方便说明特别定义一个表示类或接口的Class格式为C。如果C的常量池中包含某个CONSTANT_Class_info成员，且这个成员所表示的类或接口不属于任何一个包，那么C的ClassFile结构的属性表中就必须含有对应的InnerClasses属性。InnerClasses属性是在JDK1.1中为了支持内部类和内部接口而引入的，位于ClassFile结构的属性表。

⑤ LineNumberTable属性

LineNumberTable属性是可选变长属性，位于Code结构的属性表。

LineNumberTable属性是用来描述Java源码行号与字节码行号之间的对应关系。这个属性可以用来在调试的时候定位代码执行的行数。

  • start_pc，即字节码行号；1ine_number，即Java源代码行号。

在Code属性的属性表中，LineNumberTable属性可以按照任意顺序出现，此外，多个LineNumberTable属性可以共同表示一个行号在源文件中表示的内容，即LineNumberTable属性不需要与源文件的行一一对应。

// LineNumberTable属性表结构：
LineNumberTable_attribute{u2 attribute_name_index;u4 attribute_length;u2 line_number_table_length;{u2 start_pc;u2 line_number;} line_number_table[line_number_table_length];
}

⑥ LocalVariableTable属性

LocalVariableTable是可选变长属性，位于Code属性的属性表中。它被调试器用于确定方法在执行过程中局部变量的信息。在Code属性的属性表中，LocalVariableTable属性可以按照任意顺序出现。Code属性中的每个局部变量最多只能有一个LocalVariableTable属性。

  • start pc + length表示这个变量在字节码中的生命周期起始和结束的偏移位置（this生命周期从头e到结尾10）
  • index就是这个变量在局部变量表中的槽位（槽位可复用）
  • name就是变量名
  • Descriptor表示局部变量类型描述
// LocalVariableTable属性表结构：
LocalVariableTable_attribute{u2 attribute_name_index;u4 attribute_length;u2 local_variable_table_length;{u2 start_pc;u2 length;u2 name_index;u2 descriptor_index;u2 index;} local_variable_table[local_variable_table_length];
}

⑦ Signature属性

Signature属性是可选的定长属性，位于ClassFile，field_info或method_info结构的属性表中。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。

⑧ SourceFile属性

SourceFile属性结构

类型名称数量含义
u2attribute_name_index1属性名索引
u4attribute_length1属性长度
u2sourcefile index1源码文件素引

可以看到，其长度总是固定的8个字节。

⑨ 其他属性

Java虚拟机中预定义的属性有20多个，这里就不一一介绍了，通过上面几个属性的介绍，只要领会其精髓，其他属性的解读也是易如反掌。

2. 字节码指令简单说明

2.1. 概述

2.1.1. 执行模型

如果不考虑异常处理的话，那么Java虚拟机的解释器可以使用下面这个伪代码当做最基本的执行模型来理解

do{自动计算PC寄存器的值加1;根据PC寄存器的指示位置，从字节码流中取出操作码;if(字节码存在操作数) 从字节码流中取出操作数;执行操作码所定义的操作;
}while(字节码长度>0)；

2.1.3. 指令分析

Java的内存结构图

java虚拟机指令集官方文档

由于完全介绍和学习这些指令需要花费大量时间。为了让大家能够更快地熟悉和了解这些基本指令，这里将JVM中的字节码指令集按用途大致分成9类。

  • 加载与存储指令
  • 算术指令
  • 类型转换指令
  • 对象的创建与访问指令
  • 方法调用与返回指令
  • 操作数栈管理指令
  • 比较控制指令
  • 异常处理指令
  • 同步控制指令

（说在前面）在做值相关操作时：

  • 一个指令，可以从局部变量表、常量池、堆中对象、方法调用、系统调用中等取得数据，这些数据（可能是值，可能是对象的引用）被压入操作数栈。
  • 一个指令，也可以从操作数栈中取出一到多个值（pop多次），完成赋值、加减乘除、方法传参、系统调用等等操作。

2.1.2. 字节码指令与数据类型

Java虚拟机的指令集官方文档

在Java虚拟机的指令集中，大多数的指令都包含了其操作所对应的数据类型信息。例如，iload指令用于从局部变量表中加载int型的数据到操作数栈中，而fload指令加载的则是float类型的数据。

对于大部分与数据类型相关的字节码指令，它们的操作码助记符中都有特殊的字符来表明专门为哪种数据类型服务：

  • i代表对int类型的数据操作，
  • l代表long
  • s代表short
  • f代表float
  • d代表double

也有一些指令的助记符中没有明确地指明操作类型的字母，如arraylength指令，它没有代表数据类型的特殊字符，但操作数永远只能是一个数组类型的对象。

还有另外一些指令，如无条件跳转指令goto则是与数据类型无关的。

大部分的指令都没有支持整数类型byte、char和short，甚至没有任何指令支持boolean类型。编译器会在编译期或运行期将byte、short、boolean和char类型数据转换为相应的int类型数据。与之类似，在处理boolean、byte、short和char类型的数组时，也会转换为使用对应的int类型的字节码指令来处理。因此，大多数对于boolean、byte、short和char类型数据的操作，实际上都是使用相应的int类型作为运算类型。

指令举例说明

   /*** 常量入栈指令说明*/public void pushConstLdc() {int a = -1;int b = 5;int c = 6;int d = 127;int e = 128;int f = 32767;int g = 32768;}public void pushConstLdc2() {long a1 = 1;long a2 = 2;long a3 = 3;float f1= 5;float f2 = 6;double d1 = 1;double d2 =2;Object date = null;}public void pushConstLdc3() {byte b = 1;short s = 2;char c = 3;boolean d = true;}

Java对象的创建过程

类加载过程官方文档

1、加载

1）通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。

2）将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。

3）在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

2、链接

Verification、Preparation、Resolution

2.1 Verification

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

（1）文件格式验证

第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。

（2）元数据验证

第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合《Java语言规范》的要求。

（3）字节码验证

第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型校验完毕以后，这阶段就要对类的方法体（Class文件中的Code属性）进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。

（4）符号引用验证

最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。

2.2 Preparation

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段，从概念上讲，这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配，但必须注意到方法区本身是一个逻辑上的区域，在JDK 7及之前，HotSpot使用永久代来实现方法区时，实现是完全符合这种逻辑概念的；而在JDK 8及之后，方法区叫做元空间，这时候“类变量在方法区”就完全是一种对逻辑概念的表述了。

关于准备阶段，还有两个容易产生混淆的概念，首先是这时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。其次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

2.3 Resolution

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用（Symbolic References）：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，只要使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是已经加载到虚拟机内存当中的内容。 各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在《Java虚拟机规范》的Class文件格式中。 直接引用（Direct References）：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的，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般不会相同。 如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在虚拟机的内存中存在。

3、初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

类初始化阶段会执行方法，什么情况下会Java编译器会帮我们自动生成方法呢？

1、 在类中定义静态变量并赋初始值，如何没有指定初始值也没有静态代码块则不会生成方法

2、在类中定义静态代码块，静态代码块和静态变量的内容都会按照程序中定义的顺序放在方法中。

4、内存分配

在通过前面的类加载过程后，当通过new关键字创建对象的时候，则开始为新生的对象分配内存。该对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，因此为每个对象分配的内存大小是确定的。而分配方式主要有两种，分别为：

1.指针碰撞

应用场合：堆内存规整（通俗的说就是用过的内存放在一边，没有用过的放在另外一边，而中间利用一个分界值指针对这两边的内存进行分界，从而掌握内存分配情况），在开辟内存空间时候将分界值指针往没用过的内存方向移动对应大小位置即可）。

将堆内存这样划分的代表的GC收集器有：Serial，ParNew

2.空闲列表

应用场合：堆内存不规整（虚拟机维护一个可以记录内存块是否可以用的列表来了解内存分配情况）

即在开辟内存空间时候，找到一块足够大的内存块分配给该对象即可，同时更新记录列表。

将堆内存这样划分的代表的GC收集器有：CMS

5、成员变量赋零值

内存分配完成后，紧接着虚拟机需要将分配到的内存空间的成员变量都进行初始化（即给一些默认值），这将做是为了保证对象实例的字段在Java代码中可以在不赋初值的情况下使用。程序可以访问到这些字段对应数据类型的默认值。

6、设置对象头

虚拟机对对象进行一些简单设置，如标记该对象是哪个类的实例，这个对象的hash码，该对象所处的年龄段等等（这些可以理解为对象实例的基本信息），这些信息被写在对象头中，jvm根据当前的运行状态，会给出不同的设置方式。

7、执行初始化方法（）

在前面的步骤执行完成后，最后执行由开发人员编写的对象的初始化方法，也就是构造方法，把对象按照开发人员的设计进行初始化，此阶段才是真正的给字段属性  赋值，一个对象便创建出来了。

说明：

如果有继承关系，那么子类构造器会调用父类构造器：

  • 子类中所有的构造器都会默认调用父类中的无参构造器，因为编译器在子类的方法中添加了调用父类方法的指令： invokespecial #1 <java/lang/Object. : ()V>
  • 若父类中没有无参构造器，那么子类的构造器内必须通过super语句指定要调用的父类中的构造器
  • 若子类构造器中用this来指定调用子类自己的构造器，那么被调用的构造器也一样会调用父类中的构造器

参考文档

java 和虚拟机规范官方文档

java 虚拟机 class 文件结构

深入理解JVM之Java字节码（.class）文件详解

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