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  • 什么是字节码? java中引入了虚拟机的概念,就是在机器和程序之间加入了一层抽象的虚拟机器。这台机器在各个平台中都给程序提供了接口。 程序只需要面向虚拟机编程,而不需要管理这套程序是否在什么平台执行。编写...

    什么是字节码?

    java中引入了虚拟机的概念,就是在机器和程序之间加入了一层抽象的虚拟机器。这台机器在各个平台中都给程序提供了接口。

    程序只需要面向虚拟机编程,而不需要管理这套程序是否在什么平台执行。编写好的程序,由解释器来编译后,成为机器可以读懂并且执行的代码。在java中,将虚拟机可以读懂的代码,称之为字节码。这里记住不要混淆了。是将虚拟机可以读懂的代码称之为字节码。也就是java中的class文件。而不是机器可以读懂的代码,机器可以读懂的那个二进制命令。0和1组成的文件。

    Java源码=》编译器=》JVM可执行的Java字节码(虚拟指令或class文件)=》JVM=》JVM解释器=》机器可执行的二进制文件=》程序运行。

    其实问你什么字节码,就相当于校验你是否懂得什么是解释型语言,编译型语言了。

    编译型语言

    需要通过编译器,将源代码编译成机器码之后才能执行的语言。一般是通过编译和链接两个步骤,编译是将我们的程序编译成机器码,链接是程序和依赖库等串联起来。

    优点:编译器一般会有预编译的过程对代码进行了优化,因为编译只做了一次,运行时不会在编译,所以编译型语言效率高。

    缺点:编译之后如果想要修改某一个功能,就需要整个模块重新编译。编译的时候根据对应的运行环境生成不同的机器码。不同的操作系统之间,可能会有问题。需要根据环境的不同,生成不同的可执行文件。

    代表语言:C、C++、Pascal、Object-C以及最近很火的苹果新语言swift,GO

    解释型语言

    解释型语言不需要编译,相比编译型语言省了道工序,解释型语言在运行程序的时候才逐行进行翻译。字节码也是解释型的一部分。

    优点:有良好的平台兼容性,只要安装了虚拟机,就可以。容易维护,方便快速部署,不用停机维护。

    缺点:每次运行的时候都要解释一遍,性能上不如编译型语言。

    代表语言:JavaScript、Python、Erlang、PHP、Perl、Ruby

     

    采用字节码的好处

    其实上述的文字中,如果有听懂的话,应该已经知道答案了。字节码问的含义就是,什么是解释型语言?字节码的好处就是,解释型语言的优点?

    Java 语言通过字节码的方式,在一定程度上解决了传统解释型语言执行效率低的问题,同时又保留了解释型语言可移植的特点。所以 Java 程序运行时比较高效,而且,由于字节码并不专对一种特定的机器,因此,Java程序无须重新编译便可在多种不同的计算机上运行。

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  • 字节码详解 先码着以后看

    千次阅读 2018-06-17 00:05:31
    一文让你明白Java字节码 也许你写了无数行的代码,也许你能非常溜的使用高级语言,但是你未必了解那些高级语言的执行过程。例如大行其道的Java。Java号称是一门“一次编译到处运行”的语言,但是我们对这句话的理解...

    一文让你明白Java字节码


    也许你写了无数行的代码,也许你能非常溜的使用高级语言,但是你未必了解那些高级语言的执行过程。例如大行其道的Java。

    Java号称是一门“一次编译到处运行”的语言,但是我们对这句话的理解深度又有多少呢?从我们写的java文件到通过编译器编译成java字节码文件(也就是.class文件),这个过程是java编译过程;而我们的java虚拟机执行的就是字节码文件。不论该字节码文件来自何方,由哪种编译器编译,甚至是手写字节码文件,只要符合java虚拟机的规范,那么它就能够执行该字节码文件。那么本文主要讲讲java字节码文件相关知识。接下来我们通过具体的Demo来深入理解:

    1 首先我们来写一个java源文件

    javasrc.png

    上面是我们写的一个java程序,很简单,只有一个成员变量a以及一个方法testMethod() 。

    2 接下来我们用javac命令或者ide工具将该java源文件编译成java字节码文件。

    demo.png

    上图是编译好的字节码文件,我们可以看到一堆16进制的字节。如果你使用IDE去打开,也许看到的是已经被反编译的我们所熟悉的java代码,而这才是纯正的字节码,这也是我们今天需要讲的内容重点。

    也许你会对这样一堆字节码感到头疼,不过没关系,我们慢慢试着你看懂它,或许有不一样的收获。在开始之前我们先来看一张图

    java_byte.jpeg

    这张图是一张java字节码的总览图,我们也就是按照上面的顺序来对字节码进行解读的。一共含有10部分,包含魔数,版本号,常量池等等,接下来我们按照顺序一步一步解读。

    3.1 魔数

    从上面的总览图中我们知道前4个字节表示的是魔数,对应我们Demo的是 0XCAFE BABE。什么是魔数?魔数是用来区分文件类型的一种标志,一般都是用文件的前几个字节来表示。比如0XCAFE BABE表示的是class文件,那么有人会问,文件类型可以通过文件名后缀来判断啊?是的,但是文件名是可以修改的(包括后缀),那么为了保证文件的安全性,讲文件类型写在文件内部来保证不被篡改。
    从java的字节码文件类型我们看到,CAFE BABE翻译过来是咖啡宝贝之意,然后再看看java图标。


    java_icon.png

    CAFE BABE = 咖啡。

    3.2 版本号

    我们识别了文件类型之后,接下来要知道版本号。版本号含主版本号和次版本号,都是各占2个字节。在此Demo种为0X0000 0033。其中前面的0000是次版本号,后面的0033是主版本号。通过进制转换得到的是次版本号为0,主版本号为51。
    从oracle官方网站我们能够知道,51对应的正式jdk1.7,而其次版本为0,所以该文件的版本为1.7.0。如果需要验证,可以在用java --version命令输出版本号,或者修改编译目标版本--target重新编译,查看编译后的字节码文件版本号是否做了相应的修改。

    至此,我们共了解了前8字节的含义,下面讲讲常量池相关内容。

    3.3 常量池

    紧接着主版本号之后的就是常量池入口。常量池是Class文件中的资源仓库,在接下来的内容中我们会发现很多地方会涉及,如Class Name,Interfaces等。常量池中主要存储2大类常量:字面量和符号引用。字面量如文本字符串,java中声明为final的常量值等等,而符号引用如类和接口的全局限定名,字段的名称和描述符,方法的名称和描述符。

    为什么需要类和接口的全局限定名呢?系统引用类或者接口的时候不是通过内存地址进行操作吗?这里大家仔细想想,java虚拟机在没有将类加载到内存的时候根本都没有分配内存地址,也就不存在对内存的操作,所以java虚拟机首先需要将类加载到虚拟机中,那么这个过程设计对类的定位(需要加载A包下的B类,不能加载到别的包下面的别的类中),所以需要通过全局限定名来判别唯一性。这就是为什么叫做全局,限定的意思,也就是唯一性。

    在进行具体常量池分析之前,我们先来了解一下常量池的项目类型表:

    jvm_constant.png

    上面的表中描述了11中数据类型的结构,其实在jdk1.7之后又增加了3种(CONSTANT_MethodHandle_info,CONSTANT_MethodType_info以及CONSTANT_InvokeDynamic_info)。这样算起来一共是14种。接下来我们按照Demo的字节码进行逐一翻译。

    0x0015:由于常量池的数量不固定(n+2),所以需要在常量池的入口处放置一项u2类型的数据代表常量池数量。因此该16进制是21,表示有20项常量,索引范围为1~20。明明是21,为何是20呢?因为Class文件格式规定,设计者就讲第0项保留出来了,以备后患。从这里我们知道接下来我们需要翻译出20项常量。
    Constant #1 (一共有20个常量,这是第一个,以此类推...)
    0x0a-:从常量类型表中我们发现,第一个数据均是u1类型的tag,16进制的0a是十进制的10,对应表中的MethodRef_info。
    0x-00 04-:Class_info索引项#4
    0x-00 11-:NameAndType索引项#17
    Constant #2
    0x-09: FieldRef_info
    0x0003 :Class_info索引项#3
    0x0012:NameAndType索引项#18
    Constant #3
    0x07-: Class_info
    0x-00 13-: 全局限定名常量索引为#19
    Constant #4
    0x-07 :Class_info
    0x0014:全局限定名常量索引为#20
    Constant #5
    0x01:Utf-8_info
    0x-00 01-:字符串长度为1(选择接下来的一个字节长度转义)
    0x-61:"a"(十六进制转ASCII字符)
    Constant #6
    0x01:Utf-8_info
    0x-00 01:字符串长度为1
    0x-49:"I"
    Constant #7
    0x01:Utf-8_info
    0x-00 06:字符串长度为6
    0x-3c 696e 6974 3e-:"<init>"
    Constant #8
    0x01 :UTF-8_info
    0x0003:字符串长度为3
    0x2829 56:"()V"
    Constant #9
    0x-01:Utf-8_info
    0x0004:字符串长度为4
    0x436f 6465:"Code"
    Constant #10
    0x01:Utf-8_info
    0x00 0f:字符串长度为15
    0x4c 696e 654e 756d 6265 7254 6162 6c65:"LineNumberTable"
    Constant #11
    ox01: Utf-8_info
    0x00 12字符串长度为18
    0x-4c 6f63 616c 5661 7269 6162 6c65 5461 626c 65:"LocalVariableTable"
    Constant #12
    0x01:Utf-8_info
    0x0004 字符串长度为4
    0x7468 6973 :"this"
    Constant #13
    0x01:Utf-8_info
    0x0f:字符串长度为15
    0x4c 636f 6d2f 6465 6d6f 2f44 656d 6f3b:"Lcom/demo/Demo;"
    Constant #14
    0x01:Utf-8_info
    0x00 0a:字符串长度为10
    ox74 6573 744d 6574 686f 64:"testMethod"
    Constant #15
    0x01:Utf-8_info
    0x000a:字符串长度为10
    0x536f 7572 6365 4669 6c65 :"SourceFile"
    Constant #16
    0x01:Utf-8_info
    0x0009:字符串长度为9
    0x-44 656d 6f2e 6a61 7661 :"Demo.java"
    Constant #17
    0x0c :NameAndType_info
    0x0007:字段或者名字名称常量项索引#7
    0x0008:字段或者方法描述符常量索引#8
    Constant #18
    0x0c:NameAndType_info
    0x0005:字段或者名字名称常量项索引#5
    0x0006:字段或者方法描述符常量索引#6
    Constant #19
    0x01:Utf-8_info
    0x00 0d:字符串长度为13
    0x63 6f6d 2f64 656d 6f2f 4465 6d6f:"com/demo/Demo"
    Constant #20
    0x01:Utf-8_info
    0x00 10 :字符串长度为16
    0x6a 6176 612f 6c61 6e67 2f4f 626a 6563 74 :"java/lang/Object"
    到这里为止我们解析了所有的常量。接下来是解析访问标志位。

    3.4 Access_Flag 访问标志

    访问标志信息包括该Class文件是类还是接口,是否被定义成public,是否是abstract,如果是类,是否被声明成final。通过上面的源代码,我们知道该文件是类并且是public。

    access_flag.png

    0x 00 21:是0x0020和0x0001的并集。其中0x0020这个标志值涉及到了字节码指令,后期会有专题对字节码指令进行讲解。期待中......

    3.5 类索引

    类索引用于确定类的全限定名
    0x00 03 表示引用第3个常量,同时第3个常量引用第19个常量,查找得"com/demo/Demo"。#3.#19

    3.6父类索引

    0x00 04 同理:#4.#20(java/lang/Object)

    3.7 接口索引

    通过java_byte.jpeg图我们知道,这个接口有2+n个字节,前两个字节表示的是接口数量,后面跟着就是接口的表。我们这个类没有任何接口,所以应该是0000。果不其然,查找字节码文件得到的就是0000。

    3.8 字段表集合

    字段表用于描述类和接口中声明的变量。这里的字段包含了类级别变量以及实例变量,但是不包括方法内部声明的局部变量。
    同样,接下来就是2+n个字段属性。我们只有一个属性a,按道理应该是0001。查找文件果不其然是0001。
    那么接下来我们要针对这样的字段进行解析。附上字段表结构图

    字段表结构.png

    0x00 02 :访问标志为private(自行搜索字段访问标志)
    0x00 05 : 字段名称索引为#5,对应的是"a"
    0x 00 06 :描述符索引为#6,对应的是"I"
    0x 00 00 :属性表数量为0,因此没有属性表。
    tips:一些不太重要的表(字段,方法访问标志表)可以自行搜索,这里就不贴出来了,防止篇幅过大。

    3.9 方法

    我们只有一个方法testMethod,按照道理应该前2个字节是0001。通过查找发现是0x00 02。这是什么原因,这代表着有2个方法呢?且继续看......

    方法表结构.png

    上图是一张方法表结构图,按照这个图我们分析下面的字节码:

    第1个方法:

    0x00 01:访问标志 ACC_PUBLIC,表明该方法是public。(可自行搜索方法访问标志表)
    0x00 07:方法名索引为#7,对应的是"<init>"
    0x00 08:方法描述符索引为#8,对应的是"()V"
    0x00 01:属性表数量为1(一个属性表)
    那么这里涉及到了属性表。什么是属性表呢?可以这么理解,它是为了描述一些专有信息的,上面的方法带有一张属性表。所有属性表的结构如下图:
    一个u2的属性名称索引,一个u2的属性长度加上属性长度的info。
    虚拟机规范预定义的属性有很多,比如Code,LineNumberTable,LocalVariableTable,SourceFile等等,这个网上可以搜索到。

    属性表结构.png

    按照上面的表结构解析得到下面信息:
    0x0009:名称索引为#9("Code")。
    0x000 00038:属性长度为56字节。
    那么接下来解析一个Code属性表,按照下图解析

    code.png

    前面6个字节(名称索引2字节+属性长度4字节)已经解析过了,所以接下来就是解析剩下的56-6=50字节即可。
    0x00 02 :max_stack=2
    0x00 01 : max_locals=1
    0x00 0000 0a : code_length=10
    0x2a b700 012a 04b5 0002 b1 : 这是code代码,可以通过虚拟机字节码指令进行查找。
    2a=aload_0(将第一个引用变量推送到栈顶)
    b7=invokespecial(调用父类构造方法)
    00=什么都不做
    01 =将null推送到栈顶
    2a=同上
    04=iconst_1 将int型1推送到栈顶
    b5=putfield 为指定的类的实例变量赋值
    00= 同上
    02=iconst_m1 将int型-1推送栈顶
    b1=return 从当前方法返回void
    整理,去除无动作指令得到下面
    0 : aload_0
    1 : invokespecial
    4 : aload_0
    5 : iconst_1
    6 : putfield
    9 : return
    关于虚拟机字节码指令这块内容,后期会继续深入下去...... 目前只需要了解即可。接下来顺着Code属性表继续解析下去:
    0x00 00 : exception_table_length=0
    0x00 02 : attributes_count=2(Code属性表内部还含有2个属性表)
    0x00 0a: 第一个属性表是"LineNumberTable"

    LineNumberTable.png

    0x00 0000 0a : "属性长度为10"
    0x00 02 :line_number_table_length=2
    line_number_table是一个数量为line_number_table_length,类型为line_number_info的集合,line_number_info表包括了start_pc和line_number两个u2类型的数据项,前者是字节码行号,后者是Java源码行号
    0x00 00 : start_pc =0
    0x00 03 : end_pc =3
    0x00 04 : start_pc=4
    0x00 04 : end_pc=4

    0x00 0b 第二个属性表是:"LocalVariableTable"

    local_variable_table.png
    local_variable_info.png

    0x00 0000 0c:属性长度为12
    0x00 01 : local_variable_table_length=1
    然后按照local_variable_info表结构进行解析:
    0x00 00 : start_pc=0
    0x00 0a:length=10
    0x000c : name_index="this"
    0x000d : descriptor_index #13 ("Lcom/demo/Demo")
    0000 index=0
    //-------到这里第一个方法就解析完成了-------//
    Method(<init>)--1个属性Code表-2个属性表(LineNumberTable ,LocalVariableTable)接下来解析第二个方法

    第2个方法:

    0x00 04:"protected"
    0x00 0e: #14("testMethod")
    0x00 08 : "()V"
    0x0001 : 属性数量=1
    0x0009 :"Code"
    0x0000 002b 属性长度为43
    解析一个Code表
    0000 :max_stack =0
    0001 : max_local =1
    0000 0001 : code_length =1
    0xb1 : return(该方法返回void)
    0x0000 异常表长度=0
    0x0002 属性表长度为2
    //第一个属性表
    0x000a : #10,LineNumberTable
    0x0000 0006 : 属性长度为6
    0x0001 : line_number_length = 1
    0x0000 : start_pc =0
    0x0008 : end_pc =8
    //第二个属性表
    0x000b : #11 ,LocalVariableTable
    0x0000 000c : 属性长度为12
    0x0001 : local_variable_table_length =1
    0x0000 :start_pc = 0
    0x0001: length = 1
    0x000c : name_index =#12 "this"
    0x000d : 描述索引#13 "Lcom/demo/Demo;"
    0000 index=0

    //到这里为止,方法解析都完成了,回过头看看顶部解析顺序图,我们接下来就要解析Attributes了。

    3.10 Attribute

    0x0001 :同样的,表示有1个Attributes了。
    0x000f : #15("SourceFile")
    0x0000 0002 attribute_length=2
    0x0010 : sourcefile_index = #16("Demo.java")
    SourceFile属性用来记录生成该Class文件的源码文件名称。

    source_file.jpeg

    4 另话

    其实,我们写了这么多确实很麻烦,不过这种过程自己体验一遍的所获所得还是不同的。现在,使用java自带的反编译器来解析字节码文件。
    javap -verbose Demo //不用带后缀.class

    javap_result.png

    5 总结

    到此为止,讲解完成了class文件的解析,这样以后我们也能看懂字节码文件了。了解class文件的结构对后面进一步了解虚拟机执行引擎非常重要,所以这是基础并重要的一步。

    6 工具

    https://github.com/zxh0/classpy 这是一款分析字节码文件的工具,挺好用。

    无需太多赞赏,只要让我知道你的存在~留下你的脚印吧~~


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  • java字节码详解

    千次阅读 2018-05-20 11:58:27
    如果超过8个字节,以高位在前的方式分割为若干个8位字节。 整体结构是由一个无符号数+一个表,表中有指向其他表的索引,直到找到最后的值,这个值大部分的时候终点会在常量池中。 无符号数分为u1,u2,u3,u4,分别表示...

    一、整体结构

    class结构图

    二、详解

    *首先要说下class文件的定义:

    1. 8位字节为基础单位的二进制流。
    2. 有着严格的顺序,中间是没有空隙,即没有多余的数据。
    3. 如果超过8个字节,以高位在前的方式分割为若干个8位字节。
    4. 整体结构是由一个无符号数+一个表,表中有指向其他表的索引,直到找到最后的值,这个值大部分的时候终点会在常量池中。
    5. 无符号数分为u1,u2,u3,u4,分别表示是一个字节,两个字节。。。。。
      这里写图片描述

    如果你使用16进制的工具打开字节码文件,内容就是以16进制为基础。

    1.魔数变量与class的版本

    从图中我们可以看出,前4个十六进,虚拟机遇到这个单词时,就知道是字节码文件了。

    紧接着后面4个字节,就是class的版本,前两个是次版本号,后两个是主版本号。版本号的对应是这样的:

    这里写图片描述

    其实到这里,就有了一个整体的思路了:字节码文件其实也就是一种语法,它同样是可以用来写程序像java一样。其实可以看作一种语言。如果你足够牛逼的话,你可以直接写字节码给虚拟机执行是完全没有问题的。动态代理,其实也就是这样做的,在代码运行过程中去代理的。但是这样太困难了,所以我们就使用了java来写程序,而且字节码的出现其实是为了跨平台的。



    2.常量池

    常量池中的每一项都是一个表,每个表又是一种类型然后,这些类型又有它们自己的结构。一般第一位都是标志位,标示这个表是个什么类型的表。如下图:
    这里写图片描述
    这里写图片描述
    这里写图片描述
    类似上图:我们来找一下,类的全限定名。
    这里写图片描述
    从图中,偏移量(图中offset)到7的位置我们已经解析了,是魔数和版本号,然后8,9的位置是表示常量池的常量的个数,0016为22,但是常量池的计数从1开始,所以21个变量。然后继续后个字节是07,从这里开始常量池的内容就开始了,前面说过一般第一个字节就是标识,然后去6-3表中找07是什么类型,一看class_info。

    发现6-4表就是这个类型,从表中我们又知道这类型由两个类型构成,tag和nameindex组成,然后他们是u1,u2,说明他们分别是一个字节,两个字节,然后再去看图6-4,这07就class_info的tag字段,然后向后两个字节,是00 02,说明nameinex的值是2;

    这个nameIndex在很多表中,都存在,它的含义是在常量池中的第几个常量,目前这个是第一个常量,所以接着后面找。第一个字节是01对应utf_info即字符串,然后看表6-5,u2 –length表示长度,00 1D,长度为29,byte就是字符串内容了,后面29个字节的结果如图。

    好了,上面的过程就是整个字节码的结构和查找流程,后面的什么字段表,方法表都是这样去做,只是我们不能把字节码的所有的表类型列出来,我是看深入理解java虚拟机这本书的,它也没有这样去做,没有意义,关键是这个过程。我们来总结过程。

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  • 从一个class文件深入理解Java字节码结构

    万次阅读 多人点赞 2018-05-15 10:01:56
    我们都知道,Java程序最终是转换成class文件执行在虚拟机上的,那么class文件是个怎样的结构,虚拟机又是如何处理去执行class文件里面的内容呢,这篇文章带你深入理解Java字节码中的结构。 1.Demo源码 首先,...

    前言

    我们都知道,Java程序最终是转换成class文件执行在虚拟机上的,那么class文件是个怎样的结构,虚拟机又是如何处理去执行class文件里面的内容呢,这篇文章带你深入理解Java字节码中的结构。

    1.Demo源码

    首先,编写一个简单的Java源码:

    package com.april.test;
    
    public class Demo {
        private int num = 1;
    
        public int add() {
            num = num + 2;
            return num;
        }
    }
    

    这段代码很简单,只有一个成员变量num和一个方法add()

    2.字节码

    要运行一段Java源码,必须先将源码转换为class文件,class文件就是编译器编译之后供虚拟机解释执行的二进制字节码文件,可以通过IDE工具或者命令行去将源码编译成class文件。这里我们使用命令行去操作,运行下面命令:

    javac Demo.java
    

    就会生成一个Demo.class文件。

    我们打开这个Demo.class文件看下。这里用到的是Notepad++,需要安装一个HEX-Editor插件。
    1.字节码-完整版.png

    3.class文件反编译java文件

    在分析class文件之前,我们先来看下将这个Demo.class反编译回Demo.java的结果,如下图所示:
    源码与class转java对比.png
    可以看到,回编译的源码比编写的代码多了一个空的构造函数this关键字,为什么呢?先放下这个疑问,看完这篇分析,相信你就知道答案了。

    4.字节码结构

    从上面的字节码文件中我们可以看到,里面就是一堆的16进制字节。那么该如何解读呢?别急,我们先来看一张表:

    类型 名称 说明 长度
    u4 magic 魔数,识别Class文件格式 4个字节
    u2 minor_version 副版本号 2个字节
    u2 major_version 主版本号 2个字节
    u2 constant_pool_count 常量池计算器 2个字节
    cp_info constant_pool 常量池 n个字节
    u2 access_flags 访问标志 2个字节
    u2 this_class 类索引 2个字节
    u2 super_class 父类索引 2个字节
    u2 interfaces_count 接口计数器 2个字节
    u2 interfaces 接口索引集合 2个字节
    u2 fields_count 字段个数 2个字节
    field_info fields 字段集合 n个字节
    u2 methods_count 方法计数器 2个字节
    method_info methods 方法集合 n个字节
    u2 attributes_count 附加属性计数器 2个字节
    attribute_info attributes 附加属性集合 n个字节

    这是一张Java字节码总的结构表,我们按照上面的顺序逐一进行解读就可以了。

    首先,我们来说明一下:class文件只有两种数据类型:无符号数。如下表所示:

    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。 其中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。

    实际上整个class文件就是一张表,其结构就是上面的表一了。

    那么我们现在再来看表一中的类型那一列,也就很简单了:

    类型 说明 长度
    u1 1个字节 1
    u2 2个字节 2
    u4 4个字节 4
    u8 8个字节 8
    cp_info 常量表 n
    field_info 字段表 n
    method_info 方法表 n
    attribute_info 属性表 n

    上面各种具体的表的数据结构后面会详细说明,这里暂且不表。

    好了,现在我们开始对那一堆的16进制进行解读。
    b.jpg

    4.1 魔数

    从上面的总的结构图中可以看到,开头的4个字节表示的是魔数,其值为:
    2.字节码-魔数.png
    嗯,其值为0XCAFE BABE。CAFE BABE??What the fxxk?
    好了,那么什么是魔数呢?魔数就是用来区分文件类型的一种标志,一般都是用文件的前几个字节来表示。比如0XCAFE BABE表示的是class文件,那么为什么不是用文件名后缀来进行判断呢?因为文件名后缀容易被修改啊,所以为了保证文件的安全性,将文件类型写在文件内部可以保证不被篡改。
    再来说说为什么class文件用的是CAFE BABE呢,看到这个大概你就懂了。
    java.jpg

    4.2 版本号

    紧跟着魔数后面的4位就是版本号了,同样也是4个字节,其中前2个字节表示副版本号,后2个字节
    表示主版本号。再来看看我们Demo字节码中的值:
    3.字节码-版本号.png
    前面两个字节是0x0000,也就是其值为0;
    后面两个字节是0x0034,也就是其值为52.
    所以上面的代码就是52.0版本来编译的,也就是jdk1.8.0

    4.3 常量池

    4.3.1 常量池容量计数器

    接下来就是常量池了。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。Demo的值为:
    4.字节码-常量池容量计数值.png
    其值为0x0013,掐指一算,也就是19。
    需要注意的是,这实际上只有18项常量。为什么呢?

    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。这是为了在于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。

    Class文件中只有常量池的容量计数是从1开始的,对于其他集合类型,包括接口索引集合、字段表集合、方法表集合等的容量计数都与一般习惯相同,是从0开始的。

    4.3.2 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:字面量符号引用。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

    4.3.2.1 全限定名

    com/april/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。

    4.3.2.2 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,上面例子中的类的add()方法和num字段的简单名称分别是addnum

    4.3.2.3 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 基本数据类型void
    L 对象类型,如Ljava/lang/Object

    对于数组类型,每一维度将使用一个前置的[字符来描述,如一个定义为java.lang.String[][]类型的二维数组,将被记录为:[[Ljava/lang/String;,,一个整型数组int[]被记录为[I

    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

    4.3.3 常量类型和结构

    常量池中的每一项都是一个表,其项目类型共有14种,如下表格所示:

    类型 标志 描述
    CONSTANT_utf8_info 1 UTF-8编码的字符串
    CONSTANT_Integer_info 3 整形字面量
    CONSTANT_Float_info 4 浮点型字面量
    CONSTANT_Long_info 5 长整型字面量
    CONSTANT_Double_info 6 双精度浮点型字面量
    CONSTANT_Class_info 7 类或接口的符号引用
    CONSTANT_String_info 8 字符串类型字面量
    CONSTANT_Fieldref_info 9 字段的符号引用
    CONSTANT_Methodref_info 10 类中方法的符号引用
    CONSTANT_InterfaceMethodref_info 11 接口中方法的符号引用
    CONSTANT_NameAndType_info 12 字段或方法的符号引用
    CONSTANT_MethodHandle_info 15 表示方法句柄
    CONSTANT_MothodType_info 16 标志方法类型
    CONSTANT_InvokeDynamic_info 18 表示一个动态方法调用点

    这14种类型的结构各不相同,如下表格所示:
    常量池中常量项的结构总表.png

    注:此表格的类型的单位不对,不是bit,应该是byte(字节)。后面的同理。

    从上面的表格可以看到,虽然每一项的结构都各不相同,但是他们有个共同点,就是每一项的第一个字节都是一个标志位,标识这一项是哪种类型的常量。

    4.3.4 常量解读

    好了,我们进入这18项常量的解读,首先是第一个常量,看下它的标志位是啥:
    5.字节码-第一个常量的标志位.png
    其值为0x0a,即10,查上面的表格可知,其对应的项目类型为CONSTANT_Methodref_info,即类中方法的符号引用。其结构为:
    CONSTANT_Methodref_info的结构.png
    即后面4个字节都是它的内容,分别为两个索引项:
    6.字节码-第一个常量的项目.png
    其中前两位的值为0x0004,即4,指向常量池第4项的索引;
    后两位的值为0x000f,即15,指向常量池第15项的索引。
    至此,第一个常量就解读完毕了。
    我们再来看下第二个常量:
    7.字节码-第二个常量.png
    其标志位的值为0x09,即9,查上面的表格可知,其对应的项目类型为CONSTANT_Fieldref_info,即字段的符号引用。其结构为:
    CONSTANT_Fieldref_info的结构.png
    同样也是4个字节,前后都是两个索引。分别指向第4项的索引和第10项的索引。

    后面还有16项常量就不一一去解读了,因为整个常量池还是挺长的:
    8.字节码-所有常量.png

    你看,这么长的一大段16进制,看的我都快瞎了:
    你说什么,我没带眼镜听不清.jpg

    实际上,我们只要敲一行简单的命令:

    javap -verbose Demo.class
    

    其中部分的输出结果为:

    Constant pool:
       #1 = Methodref          #4.#15         // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Fieldref           #3.#16         // com/april/test/Demo.num:I
       #3 = Class              #17            // com/april/test/Demo
       #4 = Class              #18            // java/lang/Object
       #5 = Utf8               num
       #6 = Utf8               I
       #7 = Utf8               <init>
       #8 = Utf8               ()V
       #9 = Utf8               Code
      #10 = Utf8               LineNumberTable
      #11 = Utf8               add
      #12 = Utf8               ()I
      #13 = Utf8               SourceFile
      #14 = Utf8               Demo.java
      #15 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
      #16 = NameAndType        #5:#6          // num:I
      #17 = Utf8               com/april/test/Demo
      #18 = Utf8               java/lang/Object
    

    你看,一家大小,齐齐整整,全都出来了。
    但是,通过我们手动去分析才知道这个结果是怎么出来的,要知其然知其所以然嘛~

    4.4 访问标志

    常量池后面就是访问标志,用两个字节来表示,其标识了类或者接口的访问信息,比如:该Class文件是类还是接口,是否被定义成public,是否是abstract,如果是类,是否被声明成final等等。各种访问标志如下所示:

    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,只有类可以设置
    ACC_SUPER 0x0020 是否允许使用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
    ACC_INTERFACE 0x0200 标志这是一个接口
    ACC_ABSTRACT 0x0400 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_SYNTHETIC 0x1000 标志这个类并非由用户代码产生
    ACC_ANNOTATION 0x2000 标志这是一个注解
    ACC_ENUM x4000 标志这是一个枚举

    再来看下我们Demo字节码中的值:
    9.字节码-访问标志.png
    其值为:0x0021,是0x00200x0001的并集,即这是一个Public的类,再回头看看我们的源码。
    确认过眼神,我遇上对的了。

    4.5 类索引、父类索引、接口索引

    访问标志后的两个字节就是类索引;
    类索引后的两个字节就是父类索引;
    父类索引后的两个字节则是接口索引计数器。
    通过这三项,就可以确定了这个类的继承关系了。

    4.5.1 类索引

    我们直接来看下Demo字节码中的值:
    10.字节码-类索引.png
    类索引的值为0x0003,即为指向常量池中第三项的索引。你看,这里用到了常量池中的值了。
    我们回头翻翻常量池中的第三项:

       #3 = Class              #17            // com/april/test/Demo
    

    通过类索引我们可以确定到类的全限定名。

    4.5.2 父类索引

    从上图看到,父类索引的值为0x0004,即常量池中的第四项:

       #4 = Class              #18            // java/lang/Object
    

    这样我们就可以确定到父类的全限定名。
    可以看到,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。

    4.5.3 接口计数器

    从上图看到,接口索引个数的值为0x0000,即没有任何接口索引,我们demo的源码也确实没有去实现任何接口。

    4.5.4 接口索引集合

    由于我们demo的源码没有去实现任何接口,所以接口索引集合就为空了,不占地方,嘻嘻。
    可以看到,由于Java支持多接口,因此这里设计成了接口计数器和接口索引集合来实现。

    4.6 字段表

    接口计数器或接口索引集合后面就是字段表了。
    字段表用来描述类或者接口中声明的变量。这里的字段包含了类级别变量以及实例变量,但是不包括方法内部声明的局部变量。

    4.6.1 字段表计数器

    同样,其前面两个字节用来表示字段表的容量,看下demo字节码中的值:
    11.字节码-字段表容量计数器.png
    其值为0x0001,表示只有一个字段。

    4.6.2 字段表访问标志

    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_PUBLIC 0x0001 字段是否为public
    ACC_PRIVATE 0x0002 字段是否为private
    ACC_PROTECTED 0x0004 字段是否为protected
    ACC_STATIC 0x0008 字段是否为static
    ACC_FINAL 0x0010 字段是否为final
    ACC_VOLATILE 0x0040 字段是否为volatile
    ACC_TRANSTENT 0x0080 字段是否为transient
    ACC_SYNCHETIC 0x1000 字段是否为由编译器自动产生
    ACC_ENUM 0x4000 字段是否为enum

    4.6.3 字段表结构

    字段表作为一个表,同样有他自己的结构:

    类型 名称 含义 数量
    u2 access_flags 访问标志 1
    u2 name_index 字段名索引 1
    u2 descriptor_index 描述符索引 1
    u2 attributes_count 属性计数器 1
    attribute_info attributes 属性集合 attributes_count

    4.6.4 字段表解读

    我们先来回顾一下我们demo源码中的字段:

        private int num = 1;
    

    由于只有一个字段,还是比较简单的,直接看demo字节码中的值:
    12.字节码-字段表.png
    访问标志的值为0x0002,查询上面字段访问标志的表格,可得字段为private
    字段名索引的值为0x0005,查询常量池中的第5项,可得:

       #5 = Utf8               num
    

    描述符索引的值为0x0006,查询常量池中的第6项,可得:

       #6 = Utf8               I
    

    属性计数器的值为0x0000,即没有任何的属性。

    确认过眼神,我遇上对的了。

    至此,字段表解读完成。

    4.6.5 注意事项

    1. 字段表集合中不会列出从父类或者父接口中继承而来的字段。
    2. 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。
    3. 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.

    4.7 方法表

    字段表后就是方法表了。

    4.7.1 方法表计数器

    前面两个字节依然用来表示方法表的容量,看下demo字节码中的值:
    13.字节码-方法表容量计数器.png
    其值为0x0002,即有2个方法。

    4.7.2 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_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_SYHCHRONRIZED 0x0020 方法是否为synchronized
    ACC_BRIDGE 0x0040 方法是否是有编译器产生的方法
    ACC_VARARGS 0x0080 方法是否接受参数
    ACC_NATIVE 0x0100 方法是否为native
    ACC_ABSTRACT 0x0400 方法是否为abstract
    ACC_STRICTFP 0x0800 方法是否为strictfp
    ACC_SYNTHETIC 0x1000 方法是否是有编译器自动产生的

    4.7.3 方法表结构

    方法表的结构实际跟字段表是一样的,方法表结构如下:

    类型 名称 含义 数量
    u2 access_flags 访问标志 1
    u2 name_index 方法名索引 1
    u2 descriptor_index 描述符索引 1
    u2 attributes_count 属性计数器 1
    attribute_info attributes 属性集合 attributes_count

    4.7.4 属性解读

    还是先回顾一下Demo中的源码:

        public int add() {
            num = num + 2;
            return num;
        }
    

    只有一个自定义的方法。但是上面方法表计数器明明是2个,这是为啥呢?
    这是因为它包含了默认的构造方法,我们来看下下面的分析就懂了,先看下Demo字节码中的值:
    14.字节码-方法表1.png
    这是第一个方法表,我们来解读一下这里面的16进制:
    访问标志的值为0x0001,查询上面字段访问标志的表格,可得字段为public;

    方法名索引的值为0x0007,查询常量池中的第7项,可得:

       #7 = Utf8               <init>
    

    这个名为<init>的方法实际上就是默认的构造方法了。

    描述符索引的值为0x0008,查询常量池中的第8项,可得:

       #8 = Utf8               ()V
    

    注:描述符不熟悉的话可以回头看看4.3.2.3的内容。

    属性计数器的值为0x0001,即这个方法表有一个属性。
    属性计数器后面就是属性表了,由于只有一个属性,所以这里也只有一个属性表。
    由于涉及到属性表,这里简单说下,下一节会详细介绍。
    属性表的前两个字节是属性名称索引,这里的值为0x0009,查下常量池中的第9项:

       #9 = Utf8               Code
    

    即这是一个Code属性,我们方法里面的代码就是存放在这个Code属性里面。相关细节暂且不表。下一节会详细介绍Code属性。

    先跳过属性表,我们再来看下第二个方法:
    16.字节码-方法表2.png
    访问标志的值为0x0001,查询上面字段访问标志的表格,可得字段为public;

    方法名索引的值为0x000b,查询常量池中的第11项,可得:

      #11 = Utf8               add
    

    描述符索引的值为0x000c,查询常量池中的第12项,可得:

      #12 = Utf8               ()I
    

    属性计数器的值为0x0001,即这个方法表有一个属性。
    属性名称索引的值同样也是0x0009,即这是一个Code属性。
    可以看到,第二个方法表就是我们自定义的add()方法了。

    4.7.5 注意事项

    1. 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父类的方法。
    2. 编译器可能会自动添加方法,最典型的便是类构造方法(静态构造方法)<client>方法和默认实例构造方法<init>方法。
    3. 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。

    4.8 属性表

    前面说到了属性表,现在来重点看下。属性表不仅在方法表有用到,字段表和Class文件中也会用得到。本篇文章中用到的例子在字段表中的属性个数为0,所以也没涉及到;在方法表中用到了2次,都是Code属性;至于Class文件,在末尾时会讲到,这里就先不说了。

    4.8.1 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,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是才能拥有这个属性,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
    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 方法的局部变量描述
    StackMapTable Code属性 JDK1.6中新增的属性,供新的类型检查检验器检查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 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 为动态注解提供支持
    RuntimeInvisibleAnnotations 表,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,只不过作用对象为方法
    RuntimeInvisibleParameterAnnotation 方法表 作用与RuntimeInvisibleAnnotations属性类似,作用对象哪个为方法参数
    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指令引用的引导方式限定符

    4.8.2 属性表结构

    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:

    类型 名称 数量 含义
    u2 attribute_name_index 1 属性名索引
    u2 attribute_length 1 属性长度
    u1 info attribute_length 属性表

    即只需说明属性的名称以及占用位数的长度即可,属性表具体的结构可以去自定义

    4.8.3 部分属性详解

    下面针对部分常见的一些属性进行详解

    4.8.3.1 Code属性

    前面我们看到的属性表都是Code属性,我们这里重点来看下。
    Code属性就是存放方法体里面的代码,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。

    4.8.3.1.1 Code属性表结构

    先来看下Code属性表的结构,如下图:

    类型 名称 数量 含义
    u2 attribute_name_index 1 属性名索引
    u4 attribute_length 1 属性长度
    u2 max_stack 1 操作数栈深度的最大值
    u2 max_locals 1 局部变量表所需的存续空间
    u4 code_length 1 字节码指令的长度
    u1 code code_length 存储字节码指令
    u2 exception_table_length 1 异常表长度
    exception_info exception_table exception_length 异常表
    u2 attributes_count 1 属性集合计数器
    attribute_info attributes attributes_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。

    4.8.3.1.2 Code属性解读

    同样,解读Code属性只需按照上面的表格逐一解读即可。
    我们先来看下第一个方法表中的Code属性:
    15.字节码-Code属性表1.png
    属性名索引的值为0x0009,上面也说过了,这是一个Code属性;
    属性长度的值为0x00000026,即长度为38,注意,这里的长度是指后面自定义的属性长度,不包括属性名索引和属性长度这两个所占的长度,因为这哥俩占的长度都是固定6个字节了,所以往后38个字节都是Code属性的内容;
    max_stack的值为0x0002,即操作数栈深度的最大值为2;
    max_locals的值为0x0001,即局部变量表所需的存储空间为1;max_locals的单位是Slot,Slot是虚拟机为局部变量分配内存所使用的最小单位。
    code_length的值为0x00000000a,即字节码指令的10;
    code的值为0x2a b7 00 01 2a 04 b5 00 02 b1,这里的值就代表一系列的字节码指令。一个字节代表一个指令,一个指令可能有参数也可能没参数,如果有参数,则其后面字节码就是他的参数;如果没参数,后面的字节码就是下一条指令。
    这里我们来解读一下这些指令,文末最后的附录附有Java虚拟机字节码指令表,可以通过指令表来查询指令的含义。

    1. 2a 指令,查表可得指令为aload_0,其含义为:将第0个Slot中为reference类型的本地变量推送到操作数栈顶。
    2. b7 指令,查表可得指令为invokespecial,其含义为:将操作数栈顶的reference类型的数据所指向的对象作为方法接受者,调用此对象的实例构造器方法、private方法或者它的父类的方法。其后面紧跟着的2个字节即指向其具体要调用的方法。
    3. 00 01,指向常量池中的第1项,查询上面的常量池可得:#1 = Methodref #4.#15 // java/lang/Object."<init>":()V 。即这是要调用默认构造方法<init>
    4. 2a 指令,同第1个。
    5. 04 指令,查表可得指令为iconst_1,其含义为:将int型常量值1推送至栈顶。
    6. b5 指令,查表可得指令为putfield,其含义为:为指定的类的实例域赋值。其后的2个字节为要赋值的实例。
    7. 00 02,指向常量池中的第2项,查询上面的常量池可得:#2 = Fieldref #3.#16 // com/april/test/Demo.num:I。即这里要将num这个字段赋值为1。
    8. b5 指令,查表可得指令为return,其含义为:返回此方法,并且返回值为void。这条指令执行完后,当前的方法也就结束了。

    所以,上面的指令简单点来说就是,调用默认的构造方法,并初始化num的值为1。
    同时,可以看到,这些操作都是基于栈来完成的。

    如果要逐字逐字的去查每一个指令的意思,那是相当的麻烦,大概要查到猴年马月吧。实际上,只要一行命令,就能将这样字节码转化为指令了,还是javap命令哈:

     javap -verbose Demo.class 
    

    截取部分输出结果:

       public com.april.test.Demo();
        descriptor: ()V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=2, locals=1, args_size=1
             0: aload_0
             1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
             4: aload_0
             5: iconst_1
             6: putfield      #2                  // Field num:I
             9: return
          LineNumberTable:
            line 7: 0
            line 8: 4
    

    看看,那是相当的简单。关于字节码指令,就到此为止了。继续往下看。

    exception_table_length的值为0x0000,即异常表长度为0,所以其异常表也就没有了;

    attributes_count的值为0x0001,即code属性表里面还有一个其他的属性表,后面就是这个其他属性的属性表了;
    所有的属性都遵循属性表的结构,同样,这里的结构也不例外。
    前两个字节为属性名索引,其值为0x000a,查看常量池中的第10项:

      #10 = Utf8               LineNumberTable
    

    即这是一个LineNumberTable属性。LineNumberTable属性先跳过,具体可以看下一小节。

    再来看下第二个方法表中的的Code属性:
    17.字节码-Code属性表2.png
    属性名索引的值同样为0x0009,所以,这也是一个Code属性;
    属性长度的值为0x0000002b,即长度为43;
    max_stack的值为0x0003,即操作数栈深度的最大值为3;
    max_locals的值为0x0001,即局部变量表所需的存储空间为1;
    code_length的值为0x00000000f,即字节码指令的15;
    code的值为0x2a 2a b4 20 02 05 60 b5 20 02 2a b4 20 02 ac,使用javap命令,可得:

      public int add();
        descriptor: ()I
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=3, locals=1, args_size=1
             0: aload_0
             1: aload_0
             2: getfield      #2                  // Field num:I
             5: iconst_2
             6: iadd
             7: putfield      #2                  // Field num:I
            10: aload_0
            11: getfield      #2                  // Field num:I
            14: ireturn
          LineNumberTable:
            line 11: 0
            line 12: 10
    

    可以看到,这就是我们自定义的add()方法;
    exception_table_length的值为0x0000,即异常表长度为0,所以其异常表也没有;
    attributes_count的值为0x0001,即code属性表里面还有一个其他的属性表;
    属性名索引值为0x000a,即这同样也是一个LineNumberTable属性,LineNumberTable属性看下一小节。

    4.8.3.2 LineNumberTable属性

    LineNumberTable属性是用来描述Java源码行号字节码行号之间的对应关系。

    4.8.3.2.1 LineNumberTable属性表结构
    类型 名称 数量 含义
    u2 attribute_name_index 1 属性名索引
    u4 attribute_length 1 属性长度
    u2 line_number_table_length 1 行号表长度
    line_number_info line_number_table line_number_table_length 行号表

    line_number_info(行号表),其长度为4个字节,前两个为start_pc,即字节码行号;后两个为line_number,即Java源代码行号

    4.8.3.2.2 LineNumberTable属性解读

    前面出现了两个LineNumberTable属性,先看第一个:
    18.字节码-LineNumberTable属性1.png
    attributes_count的值为0x0001,即code属性表里面还有一个其他的属性表;
    属性名索引值为0x000a,查看常量池中的第10项:

      #10 = Utf8               LineNumberTable
    

    即这是一个LineNumberTable属性。
    attribute_length的值为0x00 00 00 0a,即其长度为10,后面10个字节的都是LineNumberTable属性的内容;
    line_number_table_length的值为0x0002,即其行号表长度长度为2,即有两个行号表;
    第一个行号表其值为0x00 00 00 07,即字节码第0行对应Java源码第7行;
    第二个行号表其值为0x00 04 00 08,即字节码第4行对应Java源码第8行。

    同样,使用javap命令也能看到:

          LineNumberTable:
            line 7: 0
            line 8: 4
    

    第二个LineNumberTable属性为:
    19.字节码-LineNumberTable属性2.png
    这里就不逐一看了,同样使用javap命令可得:

          LineNumberTable:
            line 11: 0
            line 12: 10
    

    所以这些行号是有什么用呢?当程序抛出异常时,我们就可以看到报错的行号了,这利于我们debug;使用断点时,也是根据源码的行号来设置的。

    4.8.3.2 SourceFile属性

    前面将常量池、字段集合、方法集合等都解读完了。最终剩下的就是一些附加属性了。
    先来看看剩余还未解读的字节码:
    18.字节码-附加属性.png
    同样,前面2个字节表示附加属性计算器,其值为0x0001,即还有一个附加属性。

    最后这一个属性就是SourceFile属性,即源码文件属性。
    先来看看其结构:

    4.8.3.2.1 SourceFile属性结构
    类型 名称 数量 含义
    u2 attribute_name_index 1 属性名索引
    u4 attribute_length 1 属性长度
    u2 sourcefile_index 1 源码文件索引

    可以看到,其长度总是固定的8个字节。

    4.8.3.2.2 SourceFile属性解读

    属性名索引的值为0x000d,即常量池中的第13项,查询可得:

      #13 = Utf8               SourceFile
    

    属性长度的值为0x00 00 00 02,即长度为2;
    源码文件索引的值为0x000e,即常量池中的第14项,查询可得:

     #14 = Utf8               Demo.java
    

    所以,我们能够从这里知道,这个Class文件的源码文件名称为Demo.java。同样,当抛出异常时,可以通过这个属性定位到报错的文件。

    至此,上面的字节码就完全解读完毕了。

    4.8.4 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。

    5.总结

    通过手动去解读字节码文件,终于大概了解到其构成和原理了。断断续续写了比较长的时间,终于写完了,撒花~

    实际上,我们可以使用各种工具来帮我们去解读字节码文件,而不用直接去看这些16进制,神烦啊,哈哈。溜了溜了。

    溜了.gif

    6. 附录

    6.1 Java虚拟机字节码指令表

    字节码 助记符 指令含义
    0x00 nop 什么都不做
    0x01 aconst_null 将null推送至栈顶
    0x02 iconst_m1 将int型-1推送至栈顶
    0x03 iconst_0 将int型0推送至栈顶
    0x04 iconst_1 将int型1推送至栈顶
    0x05 iconst_2 将int型2推送至栈顶
    0x06 iconst_3 将int型3推送至栈顶
    0x07 iconst_4 将int型4推送至栈顶
    0x08 iconst_5 将int型5推送至栈顶
    0x09 lconst_0 将long型0推送至栈顶
    0x0a lconst_1 将long型1推送至栈顶
    0x0b fconst_0 将float型0推送至栈顶
    0x0c fconst_1 将float型1推送至栈顶
    0x0d fconst_2 将float型2推送至栈顶
    0x0e dconst_0 将do le型0推送至栈顶
    0x0f dconst_1 将do le型1推送至栈顶
    0x10 bipush 将单字节的常量值(-128~127)推送至栈顶
    0x11 sipush 将一个短整型常量值(-32768~32767)推送至栈顶
    0x12 ldc 将int, float或String型常量值从常量池中推送至栈顶
    0x13 ldc_w 将int, float或String型常量值从常量池中推送至栈顶(宽索引)
    0x14 ldc2_w 将long或do le型常量值从常量池中推送至栈顶(宽索引)
    0x15 iload 将指定的int型本地变量
    0x16 lload 将指定的long型本地变量
    0x17 fload 将指定的float型本地变量
    0x18 dload 将指定的do le型本地变量
    0x19 aload 将指定的引用类型本地变量
    0x1a iload_0 将第一个int型本地变量
    0x1b iload_1 将第二个int型本地变量
    0x1c iload_2 将第三个int型本地变量
    0x1d iload_3 将第四个int型本地变量
    0x1e lload_0 将第一个long型本地变量
    0x1f lload_1 将第二个long型本地变量
    0x20 lload_2 将第三个long型本地变量
    0x21 lload_3 将第四个long型本地变量
    0x22 fload_0 将第一个float型本地变量
    0x23 fload_1 将第二个float型本地变量
    0x24 fload_2 将第三个float型本地变量
    0x25 fload_3 将第四个float型本地变量
    0x26 dload_0 将第一个do le型本地变量
    0x27 dload_1 将第二个do le型本地变量
    0x28 dload_2 将第三个do le型本地变量
    0x29 dload_3 将第四个do le型本地变量
    0x2a aload_0 将第一个引用类型本地变量
    0x2b aload_1 将第二个引用类型本地变量
    0x2c aload_2 将第三个引用类型本地变量
    0x2d aload_3 将第四个引用类型本地变量
    0x2e iaload 将int型数组指定索引的值推送至栈顶
    0x2f laload 将long型数组指定索引的值推送至栈顶
    0x30 faload 将float型数组指定索引的值推送至栈顶
    0x31 daload 将do le型数组指定索引的值推送至栈顶
    0x32 aaload 将引用型数组指定索引的值推送至栈顶
    0x33 baload 将boolean或byte型数组指定索引的值推送至栈顶
    0x34 caload 将char型数组指定索引的值推送至栈顶
    0x35 saload 将short型数组指定索引的值推送至栈顶
    0x36 istore 将栈顶int型数值存入指定本地变量
    0x37 lstore 将栈顶long型数值存入指定本地变量
    0x38 fstore 将栈顶float型数值存入指定本地变量
    0x39 dstore 将栈顶do le型数值存入指定本地变量
    0x3a astore 将栈顶引用型数值存入指定本地变量
    0x3b istore_0 将栈顶int型数值存入第一个本地变量
    0x3c istore_1 将栈顶int型数值存入第二个本地变量
    0x3d istore_2 将栈顶int型数值存入第三个本地变量
    0x3e istore_3 将栈顶int型数值存入第四个本地变量
    0x3f lstore_0 将栈顶long型数值存入第一个本地变量
    0x40 lstore_1 将栈顶long型数值存入第二个本地变量
    0x41 lstore_2 将栈顶long型数值存入第三个本地变量
    0x42 lstore_3 将栈顶long型数值存入第四个本地变量
    0x43 fstore_0 将栈顶float型数值存入第一个本地变量
    0x44 fstore_1 将栈顶float型数值存入第二个本地变量
    0x45 fstore_2 将栈顶float型数值存入第三个本地变量
    0x46 fstore_3 将栈顶float型数值存入第四个本地变量
    0x47 dstore_0 将栈顶do le型数值存入第一个本地变量
    0x48 dstore_1 将栈顶do le型数值存入第二个本地变量
    0x49 dstore_2 将栈顶do le型数值存入第三个本地变量
    0x4a dstore_3 将栈顶do le型数值存入第四个本地变量
    0x4b astore_0 将栈顶引用型数值存入第一个本地变量
    0x4c astore_1 将栈顶引用型数值存入第二个本地变量
    0x4d astore_2 将栈顶引用型数值存入第三个本地变量
    0x4e astore_3 将栈顶引用型数值存入第四个本地变量
    0x4f iastore 将栈顶int型数值存入指定数组的指定索引位置
    0x50 lastore 将栈顶long型数值存入指定数组的指定索引位置
    0x51 fastore 将栈顶float型数值存入指定数组的指定索引位置
    0x52 dastore 将栈顶do le型数值存入指定数组的指定索引位置
    0x53 aastore 将栈顶引用型数值存入指定数组的指定索引位置
    0x54 bastore 将栈顶boolean或byte型数值存入指定数组的指定索引位置
    0x55 castore 将栈顶char型数值存入指定数组的指定索引位置
    0x56 sastore 将栈顶short型数值存入指定数组的指定索引位置
    0x57 pop 将栈顶数值弹出 (数值不能是long或do le类型的)
    0x58 pop2 将栈顶的一个(long或do le类型的)或两个数值弹出(其它)
    0x59 dup 复制栈顶数值并将复制值压入栈顶
    0x5a dup_x1 复制栈顶数值并将两个复制值压入栈顶
    0x5b dup_x2 复制栈顶数值并将三个(或两个)复制值压入栈顶
    0x5c dup2 复制栈顶一个(long或do le类型的)或两个(其它)数值并将复制值压入栈顶
    0x5d dup2_x1 dup_x1 指令的双倍版本
    0x5e dup2_x2 dup_x2 指令的双倍版本
    0x5f swap 将栈最顶端的两个数值互换(数值不能是long或do le类型的)
    0x60 iadd 将栈顶两int型数值相加并将结果压入栈顶
    0x61 ladd 将栈顶两long型数值相加并将结果压入栈顶
    0x62 fadd 将栈顶两float型数值相加并将结果压入栈顶
    0x63 dadd 将栈顶两do le型数值相加并将结果压入栈顶
    0x64 is 将栈顶两int型数值相减并将结果压入栈顶
    0x65 ls 将栈顶两long型数值相减并将结果压入栈顶
    0x66 fs 将栈顶两float型数值相减并将结果压入栈顶
    0x67 ds 将栈顶两do le型数值相减并将结果压入栈顶
    0x68 imul 将栈顶两int型数值相乘并将结果压入栈顶
    0x69 lmul 将栈顶两long型数值相乘并将结果压入栈顶
    0x6a fmul 将栈顶两float型数值相乘并将结果压入栈顶
    0x6b dmul 将栈顶两do le型数值相乘并将结果压入栈顶
    0x6c idiv 将栈顶两int型数值相除并将结果压入栈顶
    0x6d ldiv 将栈顶两long型数值相除并将结果压入栈顶
    0x6e fdiv 将栈顶两float型数值相除并将结果压入栈顶
    0x6f ddiv 将栈顶两do le型数值相除并将结果压入栈顶
    0x70 irem 将栈顶两int型数值作取模运算并将结果压入栈顶
    0x71 lrem 将栈顶两long型数值作取模运算并将结果压入栈顶
    0x72 frem 将栈顶两float型数值作取模运算并将结果压入栈顶
    0x73 drem 将栈顶两do le型数值作取模运算并将结果压入栈顶
    0x74 ineg 将栈顶int型数值取负并将结果压入栈顶
    0x75 lneg 将栈顶long型数值取负并将结果压入栈顶
    0x76 fneg 将栈顶float型数值取负并将结果压入栈顶
    0x77 dneg 将栈顶do le型数值取负并将结果压入栈顶
    0x78 ishl 将int型数值左移位指定位数并将结果压入栈顶
    0x79 lshl 将long型数值左移位指定位数并将结果压入栈顶
    0x7a ishr 将int型数值右(符号)移位指定位数并将结果压入栈顶
    0x7b lshr 将long型数值右(符号)移位指定位数并将结果压入栈顶
    0x7c iushr 将int型数值右(无符号)移位指定位数并将结果压入栈顶
    0x7d lushr 将long型数值右(无符号)移位指定位数并将结果压入栈顶
    0x7e iand 将栈顶两int型数值作“按位与”并将结果压入栈顶
    0x7f land 将栈顶两long型数值作“按位与”并将结果压入栈顶
    0x80 ior 将栈顶两int型数值作“按位或”并将结果压入栈顶
    0x81 lor 将栈顶两long型数值作“按位或”并将结果压入栈顶
    0x82 ixor 将栈顶两int型数值作“按位异或”并将结果压入栈顶
    0x83 lxor 将栈顶两long型数值作“按位异或”并将结果压入栈顶
    0x84 iinc 将指定int型变量增加指定值(i++, i–, i+=2)
    0x85 i2l 将栈顶int型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶
    0x86 i2f 将栈顶int型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶
    0x87 i2d 将栈顶int型数值强制转换成do le型数值并将结果压入栈顶
    0x88 l2i 将栈顶long型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶
    0x89 l2f 将栈顶long型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶
    0x8a l2d 将栈顶long型数值强制转换成do le型数值并将结果压入栈顶
    0x8b f2i 将栈顶float型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶
    0x8c f2l 将栈顶float型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶
    0x8d f2d 将栈顶float型数值强制转换成do le型数值并将结果压入栈顶
    0x8e d2i 将栈顶do le型数值强制转换成int型数值并将结果压入栈顶
    0x8f d2l 将栈顶do le型数值强制转换成long型数值并将结果压入栈顶
    0x90 d2f 将栈顶do le型数值强制转换成float型数值并将结果压入栈顶
    0x91 i2b 将栈顶int型数值强制转换成byte型数值并将结果压入栈顶
    0x92 i2c 将栈顶int型数值强制转换成char型数值并将结果压入栈顶
    0x93 i2s 将栈顶int型数值强制转换成short型数值并将结果压入栈顶
    0x94 lcmp 比较栈顶两long型数值大小,并将结果(1,0,-1)压入栈顶
    0x95 fcmpl 比较栈顶两float型数值大小,并将结果(1,0,-1)压入栈顶;当其中一个数值为NaN时,将-1压入栈顶
    0x96 fcmpg 比较栈顶两float型数值大小,并将结果(1,0,-1)压入栈顶;当其中一个数值为NaN时,将1压入栈顶
    0x97 dcmpl 比较栈顶两do le型数值大小,并将结果(1,0,-1)压入栈顶;当其中一个数值为NaN时,将-1压入栈顶
    0x98 dcmpg 比较栈顶两do le型数值大小,并将结果(1,0,-1)压入栈顶;当其中一个数值为NaN时,将1压入栈顶
    0x99 ifeq 当栈顶int型数值等于0时跳转
    0x9a ifne 当栈顶int型数值不等于0时跳转
    0x9b iflt 当栈顶int型数值小于0时跳转
    0x9c ifge 当栈顶int型数值大于等于0时跳转
    0x9d ifgt 当栈顶int型数值大于0时跳转
    0x9e ifle 当栈顶int型数值小于等于0时跳转
    0x9f if_icmpeq 比较栈顶两int型数值大小,当结果等于0时跳转
    0xa0 if_icmpne 比较栈顶两int型数值大小,当结果不等于0时跳转
    0xa1 if_icmplt 比较栈顶两int型数值大小,当结果小于0时跳转
    0xa2 if_icmpge 比较栈顶两int型数值大小,当结果大于等于0时跳转
    0xa3 if_icmpgt 比较栈顶两int型数值大小,当结果大于0时跳转
    0xa4 if_icmple 比较栈顶两int型数值大小,当结果小于等于0时跳转
    0xa5 if_acmpeq 比较栈顶两引用型数值,当结果相等时跳转
    0xa6 if_acmpne 比较栈顶两引用型数值,当结果不相等时跳转
    0xa7 goto 无条件跳转
    0xa8 jsr 跳转至指定16位offset位置,并将jsr下一条指令地址压入栈顶
    0xa9 ret 返回至本地变量
    0xaa tableswitch 用于switch条件跳转,case值连续(可变长度指令)
    0xab lookupswitch 用于switch条件跳转,case值不连续(可变长度指令)
    0xac ireturn 从当前方法返回int
    0xad lreturn 从当前方法返回long
    0xae freturn 从当前方法返回float
    0xaf dreturn 从当前方法返回do le
    0xb0 areturn 从当前方法返回对象引用
    0xb1 return 从当前方法返回void
    0xb2 getstatic 获取指定类的静态域,并将其值压入栈顶
    0xb3 putstatic 为指定的类的静态域赋值
    0xb4 getfield 获取指定类的实例域,并将其值压入栈顶
    0xb5 putfield 为指定的类的实例域赋值
    0xb6 invokevirtual 调用实例方法
    0xb7 invokespecial 调用超类构造方法,实例初始化方法,私有方法
    0xb8 invokestatic 调用静态方法
    0xb9 invokeinterface 调用接口方法
    0xba 无此指令
    0xbb new 创建一个对象,并将其引用值压入栈顶
    0xbc newarray 创建一个指定原始类型(如int, float, char…)的数组,并将其引用值压入栈顶
    0xbd anewarray 创建一个引用型(如类,接口,数组)的数组,并将其引用值压入栈顶
    0xbe arraylength 获得数组的长度值并压入栈顶
    0xbf athrow 将栈顶的异常抛出
    0xc0 checkcast 检验类型转换,检验未通过将抛出ClassCastException
    0xc1 instanceof 检验对象是否是指定的类的实例,如果是将1压入栈顶,否则将0压入栈顶
    0xc2 monitorenter 获得对象的锁,用于同步方法或同步块
    0xc3 monitorexit 释放对象的锁,用于同步方法或同步块
    0xc4 wide <待补充>
    0xc5 multianewarray 创建指定类型和指定维度的多维数组(执行该指令时,操作栈中必须包含各维度的长度值),并将其引用值压入栈顶
    0xc6 ifnull 为null时跳转
    0xc7 ifnonnull 不为null时跳转
    0xc8 goto_w 无条件跳转(宽索引)
    0xc9 jsr_w 跳转至指定32位offset位置,并将jsr_w下一条指令地址压入栈顶
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  • 字节码文件及字节码指令

    千次阅读 2019-05-21 11:24:14
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