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深入理解JVM—字节码文件子系统

2012-03-20 15:48:42| 分类： JVM | 标签：jvm 字节码 子系统 深入理解 class |举报|字号 订阅





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我们在前面的几篇文章已经提到过很多次，Java是一种平台无关性的语言，而平台无关性主要是因为有了中间代码—字节码。其运行流程如下所示：



同样的，我们的
JVM有着更强大的功能，平台无关性和语言无关性，如下图所示，无论什么语言，只要编译后是符合Java虚拟机规范的字节码文件，JVM便可以正常运行。



那
Class文件究竟是什么样子的一个格式，什么一个结构的呢？下面让我们一起来解开它的面纱。

字节码具有以下结构特征

1、 Class文件是以8bit为基础单位的二进制数据流，也就是我们的一个Byte。

2、 字节码数据严密紧凑，无分隔符，这一点是效仿当初的C语言。

3、 字节码只存在无符号数字和表两周数据类型

4、 所有的字节码数据采用UTF-8字符编码

学过数据结构的都知道，任何物质都是有数据构成的，字节码主要有无符号数字和表构成，无符号数字使用u1、u2、u3、u4表示一个、两个、三个和四个字节，用于描述数字、索引、数值和字符串等，而表主要以无符号数和其他表组合而成的复合数据，通常 以_info结尾。

那字节码为减是如何生成的呢？这一点我在上一篇博文中已经写的很详细了，大家可以参考上篇博文。

类在加载前必须先解析字节码，字节码主要由以下文件格式构成

名称	类型	数量
magic	u4	1
minor_version	u2	1
major_version	u2	1
constant_pool_count	u2	1
constant_pool	cp_info	constant_pool_count-1
access_flags	u2	1
this_class	u2	1
super_class	u2	1
interfaces_count	u2	1
interfaces	u2	interfaces_count
fields_count	u2	1
fields	field_info	fields_count
methods_count	u2	1
methods	method_info	methods_count
attributes_count	u2	1
attributes	attribute_info	attributes_count

所有的字节码文件都以0xCAFEBABE打头，这个被成为是魔数。当年Java刚出来的时候因为咖啡比较火，开发JVM的人员就希望Java有一天和咖啡一样流行，就在字节码的的开头打上了ｃａｆｅ的关键字，并把Java的ｌｏｇｏ都设计成了咖啡的样子。其实很多文件都是有一个固定的开头的，如jpeg的文件的打头字节码为0xFFD8FFE0。我们使用UE等编辑软件打开即可看到，如下图所示：



接下分别是编译这段字节码的编译器的小版本和大版本，如下图所示：



对应的版本关系如下（注意，这个是
16进制的哈）

JDK 编译器版本	target 参数	十六进制minor.major	十进制minor.major
jdk1.1.8	不能带 target 参数	00 03 00 2D	45.3
jdk1.2.2	不带(默认为 -target 1.1)	00 03 00 2D	45.3
jdk1.2.2	-target 1.2	00 00 00 2E	46.0
jdk1.3.1_19	不带(默认为 -target 1.1)	00 03 00 2D	45.3
jdk1.3.1_19	-target 1.3	00 00 00 2F	47.0
j2sdk1.4.2_10	不带(默认为 -target 1.2)	00 00 00 2E	46.0
j2sdk1.4.2_10	-target 1.4	00 00 00 30	48.0
jdk1.5.0_11	不带(默认为 -target 1.5)	00 00 00 31	49.0
jdk1.5.0_11	-target 1.4 -source 1.4	00 00 00 30	48.0
jdk1.6.0_01	不带(默认为 -target 1.6)	00 00 00 32	50.0
jdk1.6.0_01	-target 1.5	00 00 00 31	49.0
jdk1.6.0_01	-target 1.4 -source 1.4	00 00 00 30	48.0
jdk1.7.0	不带(默认为 -target 1.6)	00 00 00 32	50.0
jdk1.7.0	-target 1.7	00 00 00 33	51.0
jdk1.7.0	-target 1.4 -source 1.4	00 00 00 30	48.0

这里我们可以看到有一个target参数，如我们看最后一行JDK1.7，但是他的target只有1.4，大版本只有48，这个表示虽然是由JDK1.7编译的，但是需要编译成兼容JDK1.4的版本，生成的字节码是可以在JRE1.4的环境上运行的。

跟着大小编译器版本后面的就是我们的常量池。常量池主要有字面常量和符号引用两种组成。字面常量主要包括文本常量，被声明为final的常量值等。符号引用主要包含类和接口的全限定名、字段的名称和描述符以及方法的名称和描述符等。其中常量池中每一种常量都是使用表来进行描述的。常量中的表如下图所示



其详细的结构如下图所示



常量值最基本的就是
UTF-8类型的字符串，如下图所示



01
表示UTF-8后面跟的是他的内容。我们可以通过javap –verbose ${ClassName}来查看。

紧接着的两个字节是访问标识符，如下表所示



我们来看一个实例，刚才那段代码对应的访问标识符如下：



对照表格我们可以清楚的看到对应的访问标识符是
public的。

下面紧接着的是对应的类索引、父类索引和接口索引集。如图所示：



这里
0x07属于类结构，对应的索引为0x11，为第17个常量，对应的数据如下图所示



这里我们就可以看待对应的类名了，是一个
UTF-8类型的字符串。同样的，我们可以查找对应的父类和接口索引。我们也可以同javap –verbose ${ClassName}来查看，命令运行的结构如下图所示：



我们可以清晰的看到对应的常量和关系。

紧接着下面的数据是字段表，他的结构如下所示



他有一个访问标识符，字段名称索引，描述索引和属性表。属性表我们稍后在讨论，现在我们来了解以下敌营的描述符。

描述符是通过一个简单的符号来代替一段符号的描述，如Int就是用一个I表示，数组就使用[表示，下面是一些基本的例子。





我们前面已经提到了一个简单名称、全限定名和描述符，那这几个有啥区别的呢？下面用一个例子来展示以下



不用多说，大家一看就明白了吧！具体到我们之前的那段代码示例，如下图所示



接下来的是方法表，方法表和字段表很像，结构如下图所示



对应的访问标识符如下：



结合上面的示例如下：



适应
javap可以很清楚的看到方法表的内容



在
Java里面，我们没定义一个方法，JVM在运行时知道我们要调用哪些方法，那这些是通过什么来区分的呢?有人会说，肯定通过方法名了，那方法名相同的怎么办?也许你继续会说，方法名相同，还有参数不同哇？那返回值 不同行不行？我们很早已经知道答案，方法名相同参数不同的函数写法被称为是重载，在Java语言中，重载一个方法除了需要和原方法相同的方法名之外，还需要和原方法有不同的特征签名。而这个特征签名包括顺序的签名类型的集合，并不包含返回值类型，因此不同的返回值类型不能重载，但是我们可以定义返回类型不同、名称相同、签名不同的方法，如下图代码所示。



紧接着方法表，接下来的就是属性表，属性表主要包含以下信息



我们使用
javap命令可以很详细的看到对应的结果。



JDK
从1.5以后加入了 不少新的属性表，下表展示了JDK1.5
1.6新加入的属性表。



但是这些字节码被解析之后还需要哪些步骤去执行的呢？请参加下篇博文。字节码执行引擎。