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JVM的語(yǔ)言無(wú)關(guān)性

與平臺(tái)無(wú)關(guān)性是建立在操作系統(tǒng)上，虛擬機(jī)廠(chǎng)商提供了許多可以運(yùn)行在各種不同平臺(tái)的虛擬機(jī)。它們都可以載入和執(zhí)行字節(jié)碼，從而實(shí)現(xiàn)程序的”一次編寫(xiě)，到處運(yùn)行”。

各種不同平臺(tái)的虛擬機(jī)與平臺(tái)都統(tǒng)一使用的程序存儲(chǔ)格式——字節(jié)碼（ByteCode）是構(gòu)成平臺(tái)無(wú)關(guān)性的基石，也是語(yǔ)言無(wú)關(guān)性的基礎(chǔ)。Java虛擬機(jī)不和包括java在內(nèi)的任何語(yǔ)言綁定，它只與”Class文件”這種特定的二進(jìn)制文件格式所關(guān)聯(lián)。Class文件中包含了Java虛擬機(jī)指集合符號(hào)以及若干其他輔助信息。

Class文件的衍變過(guò)程與所處位置

Java技術(shù)能一直保持非常好的向后兼容性，這點(diǎn)Class文件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性功不可沒(méi)。Java已經(jīng)發(fā)展到14版本，但是class文件結(jié)構(gòu)的內(nèi)存，絕大部分在JDK1.2的時(shí)候就已經(jīng)定義好了。雖然JDK1.2的內(nèi)容比較古老，但是java發(fā)展經(jīng)歷了十余個(gè)大版本，但是每次基本上只是在原本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上新增內(nèi)容，擴(kuò)充功能，并未定義的內(nèi)容做修改。

任何一個(gè)Class文件都對(duì)應(yīng)著唯一一個(gè)類(lèi)或者接口的定義信息，但反過(guò)來(lái)說(shuō)，Class文件實(shí)際上它并不一定以磁盤(pán)文件的形式存在(比如可以動(dòng)態(tài)生成，或者直接送入類(lèi)加載器中)。Class文件是一組以8位字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進(jìn)制流。

Class文件結(jié)構(gòu)這些內(nèi)容在面試的時(shí)候較少，但是身為資深java開(kāi)發(fā)，我們必須去了解它。

Class文件格式

現(xiàn)在我們知道了Class文件存在的意義，以及在整個(gè)java運(yùn)行流程所處的位置了。那么，這個(gè)平時(shí)我們很少關(guān)心的Class文件結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是什么呢？

下面，我們從一段代碼入手，看看它對(duì)應(yīng)的的Class文件的"廬山真面目"。

首先，先給出一個(gè)簡(jiǎn)單的java程序，并對(duì)其進(jìn)行編譯。找到其編譯好的Class文件地址。

以上是我們用16進(jìn)制打開(kāi)的class文件結(jié)構(gòu)圖。文件通過(guò)二進(jìn)制存儲(chǔ)，以8個(gè)字節(jié)為一組，所以以16進(jìn)制展示。

各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目嚴(yán)格按照順序緊湊地排列在Class文件之中，中間沒(méi)有添加任何分隔符，這使得整個(gè)Class文件中存儲(chǔ)的內(nèi)容幾乎全部都是程序運(yùn)行的必要參數(shù)，沒(méi)有空隙存在。

Class文件格式采用一種類(lèi)似C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來(lái)存數(shù)據(jù)，這種偽結(jié)構(gòu)只有兩種數(shù)據(jù)類(lèi)型：無(wú)符號(hào)數(shù)和表。

無(wú)符號(hào)數(shù)屬于基本數(shù)據(jù)類(lèi)型，以u(píng)1,u2,u4,u8來(lái)分別代表1個(gè)字節(jié)（一個(gè)字節(jié)是由兩位16進(jìn)制數(shù)組成。例如cafe babe：c是一個(gè)16進(jìn)制，a是一個(gè)16進(jìn)制等等。ca組成了一個(gè)字節(jié)），2個(gè)字節(jié)，4個(gè)字節(jié)，8個(gè)字節(jié)的無(wú)符號(hào)數(shù)，無(wú)符號(hào)數(shù)可以用來(lái)描述數(shù)字，索引引用，數(shù)量值或者按照UTF-8編碼構(gòu)成字符串值。

表是由多個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類(lèi)型。對(duì)應(yīng)關(guān)系可參照下圖

所有表都習(xí)慣性地以”_info”結(jié)尾，也就是被兩個(gè)"_info"包圍就可以認(rèn)為是一張表的數(shù)據(jù)。表用于描述有層次關(guān)系的復(fù)合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，整個(gè)Class文件本質(zhì)上就是一張一張的表組合而成的。

Class文件格式細(xì)節(jié)分析

Class文件的結(jié)構(gòu)不像XML等描述語(yǔ)言。由于它沒(méi)有任何分隔符號(hào)，所以在其中的數(shù)據(jù)項(xiàng)，無(wú)論是順序還是數(shù)量，都被嚴(yán)格限制。哪個(gè)字節(jié)代表了什么含義，長(zhǎng)度是多少，先后順序如何，都不允許改變。按順序包括：

魔數(shù)

每個(gè)Class文件的頭4個(gè)字節(jié)（U4）稱(chēng)為魔數(shù)（Magic Number），它的唯一作用是確定這個(gè)文件是否為一個(gè)能被虛擬機(jī)接受的Class文件。使用魔數(shù)而不是擴(kuò)展名（擴(kuò)展名.java ?擴(kuò)展名.class ?擴(kuò)展名.jar）進(jìn)行識(shí)別主要基于安全方面的考慮。因?yàn)閿U(kuò)展名可以隨意地改動(dòng)。（言外之意就是cafe babe是證明這是class文件的唯一標(biāo)志）。

版本

緊接著的四個(gè)字節(jié)，第一個(gè)U2（第5,6個(gè)字節(jié)）是次版本號(hào)（MinorVersion），第二個(gè)U2(第7,8個(gè)字節(jié))是主版本號(hào)（MajorVersion）。Java的版本是從45開(kāi)始記起。JDK1.1之后每個(gè)JDK大版本發(fā)布主版本號(hào)向上+1，高版本能向下兼容以前舊版本的Class文件，但不能運(yùn)行以后版本的Class文件，即使文件格式未發(fā)生任何變化，虛擬機(jī)也必須拒絕執(zhí)行超過(guò)其版本號(hào)的Class文件。就代表著JDK1.8(16進(jìn)制的34，換成10進(jìn)制就是52 ??JDK1.1---45 ??JDK1.8---52)。

常量池

常量池中常量的數(shù)量是不固定的，所以在常量池的入口需要放置一項(xiàng)u2類(lèi)型的數(shù)據(jù)，代表常量池容量計(jì)數(shù)值（constant_pool_count）。與Java習(xí)慣不一樣的是，這個(gè)容量計(jì)數(shù)器是從1而不是從0開(kāi)始的。也就是1代表的是無(wú)常量，2才是有一個(gè)。0可以表示某些指向常量池的索引值的數(shù)據(jù)在特定情況下需要表達(dá)”不引用任何一個(gè)常量池項(xiàng)目”的含義。

由圖可知，此處的16，實(shí)際值為16-1=15個(gè)。

使用Javap -v 反編譯結(jié)果

常量池共15個(gè)數(shù)據(jù)。

常量池中每一種類(lèi)型的常量都是一張表。目前截止至JDK13，常量表中分別有17中不同類(lèi)型的常量。

常量池中主要存放兩大類(lèi)常量：字面量（Literal）和符號(hào)引用（Symbolic References）。

字面量比較接近于Java語(yǔ)言中的常量的概念，比如字符串，聲明為final的常量值等。

我們用Jclasslib工具反編譯這個(gè)Class文件，查看一下常量池中的數(shù)據(jù)。

再提符號(hào)引用

我們知道，當(dāng)我們的程序在運(yùn)行中時(shí)，我們堆中的對(duì)象要調(diào)用方法，是通過(guò)對(duì)象頭中存儲(chǔ)的類(lèi)型指針，通過(guò)直接引用，找到具體方法在方法區(qū)中的地址。

那么，在類(lèi)加載過(guò)程中，我們需要把Class文件加載到我們運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，就需要用到我們的符號(hào)引用了。了解了符號(hào)引用的概念，那么具體符號(hào)引用中有哪些細(xì)節(jié)幫助我們尋找地址呢？

符號(hào)引用包含類(lèi)和接口的全限定名（Fully Qualified Name），字段的名稱(chēng)和描述符（Descriptor），方法的名稱(chēng)和描述符。

訪(fǎng)問(wèn)標(biāo)志（識(shí)別類(lèi)是什么關(guān)鍵字修飾的）

用于識(shí)別一些類(lèi)或者接口層次的訪(fǎng)問(wèn)信息，包括：這個(gè)Class是類(lèi)還是接口：是否定義為public類(lèi)型，是否定義為abstract類(lèi)型：如果是類(lèi)的話(huà)，是否被聲明成final等。識(shí)別類(lèi)的修飾符

類(lèi)索引，父類(lèi)索引與接口索引集合

這三項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)確定這個(gè)類(lèi)的繼承關(guān)系。

類(lèi)索引用于確定這個(gè)類(lèi)的全限定名，父類(lèi)索引用于確定這個(gè)類(lèi)的父類(lèi)的全限定名。由于Java語(yǔ)言不允許多重繼承，所以父類(lèi)索引只有一個(gè)，除了java.lang.Object之外，所有的類(lèi)都有父類(lèi)。因此除了java.lang.Object之外，所有Java類(lèi)的父類(lèi)索引都不為0.接口索引集合就用來(lái)描述這個(gè)這個(gè)類(lèi)實(shí)現(xiàn)了哪些接口，這些被實(shí)現(xiàn)的接口按implements語(yǔ)句（如果這個(gè)類(lèi)本身是一個(gè)接口，則應(yīng)當(dāng)是extends語(yǔ)句）后續(xù)的接口順序從左到右排列在這個(gè)接口索引集合中。

字段表集合

描述接口或者類(lèi)中聲明的變量，字段（field）包括類(lèi)級(jí)變量（全局級(jí)變量或靜態(tài)變量，需要使用static關(guān)鍵字修飾）以及實(shí)例級(jí)變量（成員變量，實(shí)例化后才會(huì)分配內(nèi)存空間，才能訪(fǎng)問(wèn)）。

字段可以包括的修飾符有字段作用域（public，privbate，protected）。是成員還是類(lèi)變量（static），是否可變（final），并發(fā)可見(jiàn)性（volatile），是否可被序列化（transient）。這些信息在字段表中都是布爾值形式存在的。有這個(gè)修飾符就是1，沒(méi)有就是0。

而字段叫什么名字，字段被定義成什么數(shù)據(jù)類(lèi)型，這些都是無(wú)法固定的。所以只能引用常量池中的常量來(lái)描述。

字段表集合中不會(huì)列出從超類(lèi)或者父接口中繼承而來(lái)的字段，但有可能列出原本Java代碼之中不存在的字段。譬如在內(nèi)部類(lèi)中為了保持對(duì)外部類(lèi)的訪(fǎng)問(wèn)性，會(huì)自動(dòng)添加指向外部類(lèi)實(shí)例的字段。

方法表集合

Class文件存儲(chǔ)格式中對(duì)方法的描述與字段的描述幾乎采用了完全一致的方式。方法表的結(jié)構(gòu)如同字段表一樣。一次包括訪(fǎng)問(wèn)標(biāo)志，名稱(chēng)索引，描述符索引，屬性集合表幾項(xiàng)。

描述了方法的定義，但是方法里的Java代碼，經(jīng)過(guò)編譯器編譯成字節(jié)碼指令之后，存放在屬性表集合中的方法屬性表集合中一個(gè)名為”Code”的屬性里面。與字段表集合是類(lèi)似的。如果父類(lèi)方法在子類(lèi)中沒(méi)有被重寫(xiě)（Override），方法集中就不會(huì)出現(xiàn)來(lái)自父類(lèi)的方法信息。但同樣的，有可能會(huì)出現(xiàn)由編譯器自動(dòng)添加的方法，最典型的便是類(lèi)構(gòu)造器”<client>”方法和實(shí)例構(gòu)造器<”init”>

屬性表集合

存儲(chǔ)Class文件，字段表，方發(fā)表都又自己的屬性表集合，用于描述某些場(chǎng)景專(zhuān)有的信息。比如方法的代碼就存儲(chǔ)在Code屬性表中。

字節(jié)碼指令

字節(jié)碼指令

字節(jié)碼指令屬于方法表中的內(nèi)容。

Java 虛擬機(jī)的指令由一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的、代表著某種特定操作含義的數(shù)字（稱(chēng)為操作碼，Opcode）以及跟隨其后的零至多個(gè)代表此操作所需參數(shù)（稱(chēng)為操作數(shù)，Operands）而構(gòu)成。

由于限制了 Java 虛擬機(jī)操作碼的長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)（即 0～255），這意味著指令集的操作碼總數(shù)不可能超過(guò) 256 條。

大多數(shù)的指令都包含了其操作所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型信息。例如：

iload 指令用于從局部變量表中加載 int 型的數(shù)據(jù)到操作數(shù)棧中，而 fload 指令加載的則是 float 類(lèi)型的數(shù)據(jù)（此處未列舉）。

大部分的指令都沒(méi)有支持整數(shù)類(lèi)型 byte、char 和 short，甚至沒(méi)有任何指令支持 boolean 類(lèi)型。大多數(shù)對(duì)于 boolean、byte、short 和 char 類(lèi)型數(shù)據(jù)的操作，實(shí)際上都是使用相應(yīng)的 int 類(lèi)型作為運(yùn)算類(lèi)型

閱讀字節(jié)碼作為了解 Java 虛擬機(jī)的基礎(chǔ)技能，有需要的話(huà)可以去掌握常見(jiàn)指令。

字節(jié)碼助記碼解釋地址：https://cloud.tencent.com/developer/article/1333540

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