JVM基础：字节码文件详解①

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文章目录

一、Java虚拟机的组成
二、字节码文件的组成
- 2.1 为什么要了解字节码文件？
- 2.2 如何“窥探”字节码文件的奥秘？
- - 2.2.1 使用工具打开字节码文件
  - 2.2.2 字节码文件是由哪几部分组成？
  - 2.2.3 基础信息(一般信息)
  - 2.2.4 常量池
  - 2.2.5 方法
参考目录

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、Java虚拟机的组成

👉它可以分为以下四个部分

类加载器(ClassLoder)：加载class字节码文件中的内容到内存中(加载到内存是为了高效的利用)
运行时数据区域(JVM管理的内存)：负责管理JVM使用到的内存，比如创建对象和销毁对象
执行引擎((即时编译器、解释器与垃圾回收器等)：将字节码文件中的指令解
释成机器码，同时使用即时编译器优化性能
本地接口：调用本地已经编译的方法，比如虚拟机中提供的c/c++的方法，就是本地方法(即jvm底层已经实现好的，用C/C++语言编写好的方法，使用native修饰的方法)

👉基本执行流程如下所示：

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二、字节码文件的组成

2.1 为什么要了解字节码文件？

👉原因

①它可以解决一些面试难题

例如以下面试题

int i = 0; i = i++; 最终i的值是多少？
请你回答一下Java的反射是如何实现的？

②它可以解决工作中的一些实际问题——版本冲突

例如以下报错

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2.2 如何“窥探”字节码文件的奥秘？

2.2.1 使用工具打开字节码文件

👉常用工具

①使用Jclasslib字节码插件【idea插件】

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如何使用该插件查看指定字节码文件？

👉步骤

①在idea中 file – settings – plugins 中搜索 jclass 安装该插件

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②选中指定的Java源文件，按照以下步骤操作，即可

👉注意

使用jclasslib的idea插件版的两个小细节

要打开一个新的字节码文件，就需要选中当前的源代码，然后点击 view - show bytecode with jclasslib 就可以打开新的字节码文件
1. 如果源代码发生变化，需要重新运行编译，可通过 build - Recompile ‘xxx.java’ 或重新运行该源代码的方式重新编译，然后在jclasslib中重新刷新即可

②使用Javap命令

如何使用该命令查看指定字节码文件？

👉步骤

首先确保已经安装了JDK（Java Development Kit），因为Javap是JDK的一部分。
打开命令提示符（Windows）或终端（macOS/Linux）。
使用cd命令导航到包含字节码文件（.class文件）的目录。例如，如果字节码文件位于C:\Users\YourUsername\Documents\MyProject目录下，请输入cd C:\Users\YourUsername\Documents\MyProject。
输入javap -c YourClassName.class命令，其中YourClassName是你要查看的字节码文件的名称（不包括扩展名）。例如，如果你要查看名为MyClass.class的文件，请输入javap -c MyClass.class。
按回车键执行命令。命令将显示字节码文件的详细信息，包括类名、方法名、参数类型等。

案例：使用Javap命令打开桌面测试文件夹中的字节码文件t1.class

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👉备注

如果jar包需要先使用 jar –xvf 命令解压

③使用Arthas工具打开字节码文件

GitHub地址

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2.2.2 字节码文件是由哪几部分组成？

使用jclass插件打开任意一个Java 源文件，我们可以看到如下信息

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一般信息（基本信息）：魔数、字节码文件对应的Java版本号，访问标识(public final等等)以及父类和接口
常量池：保存了字符串常量、类或接口名、字段名，主要在字节码指令中使用
接口：当前类实现的接口信息
字段：当前类或接口声明的字段信息
方法：当前类或接口声明的方法信息——字节码指令
属性：类的属性，比如源码的文件名，内部类的列表等

2.2.3 基础信息(一般信息)

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前面提到的基本信息中主要包含魔数、字节码文件对应的Java版本号，访问标识(public final等等)以及父类和接口等内容，但是有两个问题值得深思

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😥问题①：何为魔数？

使用notepad++ 随便打开两个字节码文件，我们可以看到他们之间显著的共通之处

a.打开t1.class字节码文件，如下图所示

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b.打开MyApplication.class字节码，如下图所示

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共通之处

以ca fe ba be打头

这就是魔数(Magic)，用以校验文件类型的文件头，如果别的编译软件不支持该种类型的文件头，则解析文件时会出错。那为什么不使用文件扩展名去校验类型？文件是无法通过文件扩展名来确定文件类型的，文件扩展名可以随意修改，不影响文件的内容。故而在Java字节码文件中，将文件头称为魔数

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😥问题②：何为Java版本号？

Java版本号主要分为主副版本号，主副版本号指的是编译字节码文件的JDK版本号，主版本号用来标识大版本号，JDK1.0-1.1使用了45.0-45.3，JDK1.2是46之后每升级一个大版本就加1；副版本号是当主版本号相同时作为区分不同版本的标识，一般只需要关心主版本号。

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👉版本号作用

主要判断当前字节码的版本和运行时的JDK是否兼容

👉备注

1.2之后大版本号计算方法就是：主版本号 – 44 ；
比如主版本号52，那就是JDK8

之前在前文中抛出了一个版本冲突的问题

如下图所示

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👉原因

主版本号不兼容，发生冲突

👉解决方案

1.升级JDK版本（容易引发其他的兼容性问题，并且需要大量的测试）
2.将第三方依赖的版本号降低或者更换依赖，以满足JDK版本的要求 √ 建议采用

👉总结

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2.2.4 常量池

👉作用

避免相同的内容重复定义，节省空间

👉概述

常量池中的数据都有一个编号，编号从1开始。在字段或者字节码指令中通过编号可以快速的找到对应的数据
字节码指令中通过编号引用到常量池的过程称之为符号引用

👉符号引用的示意图如下所示

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2.2.5 方法

👉先看一个简单经典的面试题

int i = 0; i = i++; 最终i的值是多少？

👉我的回答

i =i++ 是先赋值后自增，而i= ++ i 是先自增后赋值，所以最终的i是0

😚进一步发问

为什么i =i++ 是先赋值后自增，而i= ++ i 是先自增后赋值，如果根据Java的运算符优先级对比，应该是1吧，i++优先级高，先执行之后将返回结果1赋值给 i，所以最终 i应该是1。

❗可正确的答案是 i最终的值是0

😥why？

莫急，且听我慢慢道来

👉定义

字节码中的方法区域是存放字节码指令的核心位置，字节码指令的内容存放在方法的Code属性中

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选中Code属性，我们可以看到它下面还有两个Table

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LineNumberTable：用于存储源代码中各行号与字节码指令之间的对应关系，它可以帮助调试器在执行程序时定位到源代码中的具体位置。
LocalVariableTable：主要用于存储方法的参数和方法内定义的局部变量。在程序编译为Class文件时，会在Code属性的max_locals数据项中确定该方法所需要分配的局部变量表的最大容量。

我们暂时只关心LocalVariableTable，如下图所示，LocalVariableTable表中的每个项都包含以下内容：

名称（Name）：表示该项对应的局部变量的名称
描述符（Descriptor）：表示该项对应的局部变量的类型和修饰符
索引（Slot）：表示该项在局部变量表中的位置
值（Value）：表示该项对应的局部变量的值

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除了上面的LocalVariableTable，我们还得了解一个概念——操作数栈

😥什么是操作数栈？

👉讯飞星火告诉我们

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简单来讲，操作数栈是临时存放数据的地方

👉再看之前的源代码

 int i=0;int j= i+1;

字节码指令分析如下

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回到前面提到的面试题

😥为什么int i = 0; i = i++; 最终i的值是0？

源代码示例如下

public static void main(String[] args) {int i=0;i=i++;System.out.println("i = " + i);
}

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👉分析流程如下所示

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👉举例分析

以 int i=0; i=++i; 的字节码指令展开分析，最后i的值是多少？

示例代码如下

 public static void main(String[] args) {int i=0;i=++i;System.out.println("i = " + i);}

字节码指令如下

 0 iconst_01 istore_12 iinc 1 by 15 iload_16 istore_17 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
10 new #3 <java/lang/StringBuilder>
13 dup
14 invokespecial #4 <java/lang/StringBuilder.<init> : ()V>
17 ldc #5 <i = >
19 invokevirtual #6 <java/lang/StringBuilder.append : (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;>
22 iload_1
23 invokevirtual #7 <java/lang/StringBuilder.append : (I)Ljava/lang/StringBuilder;>
26 invokevirtual #8 <java/lang/StringBuilder.toString : ()Ljava/lang/String;>
29 invokevirtual #9 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>
32 return

👉流程分析如下

①将int类型的 o push 操作数栈中；
②从操作数栈中取出0，放入到局部变量表中位序为1的位置上[i]，此时i=0；
③在局部变量表中为位序为1的位置上增加1，此时i=1；
④从局部变量表中位序为1的位置将数据压入到操作数栈中，此时i=0；
⑤将操作数栈中的数据[1]保存到局部变量表中位序为1的位置上，此时i=1；
…

👉备注