JVM-CLASS文件结构

介绍

介绍Java类文件结构。Java到.class文件的过程：

一、Class文件组成内容

无符号数

就是数值：1,2,3…

表

就是一个结构，表的结构类似：

xxx_XXX_info{
    u1
    u2
    u4
    ...
}

1. Class文件格式

u1：一个字节
u2：两个字节
u4：四个字节
u8：八个字节

演示案例：

public class TestM {
    private int m;

    public int inc() {
        return m + 1;
    }
}

对应的字节码文件：

魔数

第一个u4字节代表这是一个class文件：cafe babe（固定的）。
版本

第二个u4字节代表JDK编译的版本号。
- JDK7：51
- JDK8：52（34是16进制，转换成10进制是52）

常量池

子面量
1
int i = 3;
字面量就是=右边的东西（3）。
符号引用

包括：
- 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

常量池总共有21个常量（HEX：00 16）（22-1）

常量池结构表-1

常量池结构表-2

分析：

0a：===》10 （对应到常量池结构表查找tag值）代表的Methodref_info

00 06，00 18 ===》#6，#24
09：===》09 代表的Fieldref_info

03，19 ===》#3，#25
07：===》07 代表的Class_info

1a ===》#26
…

验证：

javap -v TestM.class
    
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#24         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#25         // com/example/dodd/jvm/TestM.m:I
   #3 = Class              #26            // com/example/dodd/jvm/TestM
   #4 = Methodref          #3.#24         // com/example/dodd/jvm/TestM."<init>":()V
   #5 = Methodref          #3.#27         // com/example/dodd/jvm/TestM.inc:()I
   #6 = Class              #28            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               m
   #8 = Utf8               I
   #9 = Utf8               <init>
  #10 = Utf8               ()V
  #11 = Utf8               Code
  #12 = Utf8               LineNumberTable
  #13 = Utf8               LocalVariableTable
  #14 = Utf8               this
  #15 = Utf8               Lcom/example/dodd/jvm/TestM;
  #16 = Utf8               inc
  #17 = Utf8               ()I
  #18 = Utf8               main
  #19 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #20 = Utf8               args
  #21 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #22 = Utf8               SourceFile
  #23 = Utf8               TestM.java
  #24 = NameAndType        #9:#10         // "<init>":()V
  #25 = NameAndType        #7:#8          // m:I
  #26 = Utf8               com/example/dodd/jvm/TestM
  #27 = NameAndType        #16:#17        // inc:()I
  #28 = Utf8               java/lang/Object

init和clinit

init是实例化初始化方法。使用场景：

调用new初始化对象的时候
调用反射的时候newInstance()
调用clone方法的时候
ObjectInpustream.getObject()序列化的时候

clinit是类和接口的初始化。使用场景：

class Test{
    static int m = 3;
}

class Test{
    static int m;
    static{
        m = 3;
    }
}

所有的类变量初始化语句和静态初始化语句都被java编译收集到一起，采用clinit初始化方式。采用javap命令查看字节码：

// 类静态变量初始化后出现
static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: iconst_2
         1: putstatic     #3                  // Field a:I
         4: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0

解读示例：

public com.example.dodd.jvm.TestM();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1            // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/example/dodd/jvm/TestM;

这是TestM的默认构造方法，首先通过invokespecial #1找到虚拟机的第一条指令#1。

第一步，到常量池中找#1常量（#1 = Methodref #6.#24）

#6 指向Class_info的索引项（u2类型数据）

#26 指向NameAndType的索引项（u2类型数据）
第二步，找#6号常量（#6号常量是Class：java/lang/Object）
第三步，找#24号常量（#9:#10）

NameAndType的数据结构（u2：名称常量项的索引，u2：描述符常量项的索引）
第四步，#9对应\
第五步，#10对应()V

至此，搜索的结果就是：V java/lang/Object.\<init>()。

ps：类名应该多长？不能超过256。

访问标志
- 字节码：00 21固定
  
  0x0001|0x0020=0x0021，这就是为什么字节码是00 21。
类索引、父类索引、接口计数器、接口1、接口2…

字节码：00 03 00 06 00 00。
- 00 03代表#3常量索引：com/example/dodd/jvm/TestM
- 00 06代表#6常量索引：java/lang/Object
- 00 00代表有几个接口，当前是0个
- …
  
  如果有接口，后续字节码表示接口的索引项，如果该类没有实现任何接口，则计数器值为0，后面的接口索引表不再占用任何字节。
字段表集合

TestClass.class

关于方法表查找方法示例：
- 1.找到访问控制access_flag（00 01—>public）
- 2.找到简单名字name_index（00 17 —> inc）
- 3.找到描述符descriptor_index（00 18 —>()I）
翻译过来：public int inc()。
- 4.找到attribute_count（00 01—>代表有一个属性表）
- 5.对照属性表attribute_info(u2,u4,u1*length)
- 6.找到attribute_name_index（00 11—>Code）
- 7.找到attribute_length（00 00 00 be—>190个u1）
max_stacks：方法的栈深。

max_locals：方法的本地变量数量。

args_size：方法的参数有多少个（默认是this（无参也是1），如果方法是static那么就是0）。
- 8.找到max_stacks最大栈深（00 01—>1 max_stacks）
- 9.找到max_locals最大变量数（00 05—> 5 max_locals）
- 10.找到code_length代码行数（00 00 00 18—>24）
- 11.对应的字节码
  
  参考JVM指令表
  - 0x04：iconst_1
  - 0x3c：istore_1
  - putstatic #3：b3 xx xx
- 12.异常表
  1
  2
  3
  from to target
  0 4 8
  index:#2(java/lang/Exception)
  如果没有异常表：
  - debug断点的问题
  - 错误日志没有行号
方法表集合
属性表集合

本地变量表（LocalVariableTable）：
- start+length：一个本地变量的作用域
- slot：几个槽来存储
- name：简单名字（变量名对应）
- signature：伪泛型，泛型擦除，对泛型的标识