scala编译的class字节码实现
2016-05-24 16:42
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我们知道， Scala也是一种运行于Java虚拟机上的语言， 既然能够运行于虚拟机之上， 那么它必然可以编译成class文件， 因为虚拟机只认class文件。 所以， scalac编译器将.scala源文件， 编译成class文件， 然后这些class文件被虚拟机加载并执行。
所以， 如果你对class文件格式和java虚拟机足够了解的话， 那么学习scala语言就会相对简单。Java文件编译成class文件， 而Scala源文件也是编译成class文件， 虽然他们语法大相径庭， 但是最后殊途同归。 如果我们能基于class文件分析scala的行为， 有助于理解scala语言。有人说scala的语法很多很难， 其实语法终归是写法， class文件的格式是不变的， 可以把scala的语法看成java语法的高级语法糖。
本系列博客基于分析class文件， 来分析scala的语法。 如果你对class文件格式不熟悉， 建议读一下我的专栏， 该专栏是专门分析class文件和JVM行为的。 专栏地址：
http://blog.csdn.net/column/details/zhangjg-java-blog.html
[plain] view
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object HelloWorld{
def main(args : Array[String]){
println("HelloWorld")
}
}
如果对scala的语法不是很熟悉， 并且对scala比较感兴趣， 建议先熟悉一下scala的基本语法。 这里简单说两以下几点：
1 以object关键字修饰一个类名， 这种语法叫做孤立对象，这个对象是单例的。 相当于将单例类和单例对象同时定义。
2 方法声明以def开头， 然后是方法名， 参数列表， 返回值， 等号， 方法体 。如下：
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def doSomeThing(x : Int) : Int = {
x += 1
}
如果没有返回值， 可以省略等号， 直接写方法体。
3 Array[String]是scala的一种数据类型， 可以理解为字符串数组。
这篇博客的目的不是详细的讲解语法， 而是基于class文件来分析scala语法的实现方式， 所以对于语法只简单提一下 。
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scalac HelloWorld.scala
命令执行完成后， 可以看到HelloWorld.scala所在的目录中多出两个class文件：
其中有一个是和HelloWorld.scala对应的HelloWorld.class 。 那么HelloWorld$.class是什么呢？难道一个scala类可以生成多个class吗? 下面通过反编译来找到答案。
首先反编译HelloWorld.class ：
[plain] view
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javap -c -v -classpath . HelloWorld
反编译结果如下： （为了便于讲述， 给出了所有的输出， 会有些长）
[java] view
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Classfile /D:/Workspace/scala/scala-test/HelloWorld/HelloWorld.class
Last modified 2014-4-1; size 586 bytes
MD5 checksum 2ce2089f345445003ec6b4ef4ed4c6d1
Compiled from "HelloWorld.scala"
public final class HelloWorld
SourceFile: "HelloWorld.scala"
RuntimeVisibleAnnotations:
0: #6(#7=s#8)
ScalaSig: length = 0x3
05 00 00
minor version: 0
major version: 50
flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Utf8 HelloWorld
#2 = Class #1 // HelloWorld
#3 = Utf8 java/lang/Object
#4 = Class #3 // java/lang/Object
#5 = Utf8 HelloWorld.scala
#6 = Utf8 Lscala/reflect/ScalaSignature;
#7 = Utf8 bytes
#8 = Utf8 :Q!\t\t!S3mY><vN7ea ...
#9 = Utf8 main
#10 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#11 = Utf8 HelloWorld$
#12 = Class #11 // HelloWorld$
#13 = Utf8 MODULE$
#14 = Utf8 LHelloWorld$;
#15 = NameAndType #13:#14 // MODULE$:LHelloWorld$;
#16 = Fieldref #12.#15 // HelloWorld$.MODULE$:LHelloWorld$;
#17 = NameAndType #9:#10 // main:([Ljava/lang/String;)V
#18 = Methodref #12.#17 // HelloWorld$.main:([Ljava/lang/String;)V
#19 = Utf8 Code
#20 = Utf8 SourceFile
#21 = Utf8 RuntimeVisibleAnnotations
#22 = Utf8 ScalaSig
{
public static void main(java.lang.String[]);
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #16 // Field HelloWorld$.MODULE$:LHelloWorld$;
3: aload_0
4: invokevirtual #18 // Method HelloWorld$.main:([Ljava/lang/String;)V
7: return
}
从输出结果可以看到， 这个类确实有传统意义上的main方法。 这个main方法中的字节码指令大概是这样：
1 getstatic访问一个静态字段， 这个静态字段是定义在HelloWorld$类中的MODULE$字段， 这个字段的类型是HelloWorld$ 。 讲到这里， 大概出现了单例的影子。 我们并没有定义这个类， 所以这个类是scala编译器自动生成的， 用来辅佐HelloWorld类。
2 然后使用这个静态对象调用main方法， 这个main方法是HelloWorld$类中的， 而不是当前HelloWorld中的。 它不是静态的， 而是成员方法。
下面反编译HelloWorld$类：
[java] view
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javap -c -v -classpath . HelloWorld$
反编译结果如下：
[java] view
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Classfile /D:/Workspace/scala/scala-test/HelloWorld/HelloWorld$.class
Last modified 2014-4-1; size 596 bytes
MD5 checksum 7b3e40952539579da28edc84f370ab9b
Compiled from "HelloWorld.scala"
public final class HelloWorld$
SourceFile: "HelloWorld.scala"
Scala: length = 0x0
minor version: 0
major version: 50
flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Utf8 HelloWorld$
#2 = Class #1 // HelloWorld$
#3 = Utf8 java/lang/Object
#4 = Class #3 // java/lang/Object
#5 = Utf8 HelloWorld.scala
#6 = Utf8 MODULE$
#7 = Utf8 LHelloWorld$;
#8 = Utf8 <clinit>
#9 = Utf8 ()V
#10 = Utf8 <init>
#11 = NameAndType #10:#9 // "<init>":()V
#12 = Methodref #2.#11 // HelloWorld$."<init>":()V
#13 = Utf8 main
#14 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#15 = Utf8 scala/Predef$
#16 = Class #15 // scala/Predef$
#17 = Utf8 Lscala/Predef$;
#18 = NameAndType #6:#17 // MODULE$:Lscala/Predef$;
#19 = Fieldref #16.#18 // scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
#20 = Utf8 HelloWorld
#21 = String #20 // HelloWorld
#22 = Utf8 println
#23 = Utf8 (Ljava/lang/Object;)V
#24 = NameAndType #22:#23 // println:(Ljava/lang/Object;)V
#25 = Methodref #16.#24 // scala/Predef$.println:(Ljava/lang/Object;)V
#26 = Utf8 this
#27 = Utf8 args
#28 = Utf8 [Ljava/lang/String;
#29 = Methodref #4.#11 // java/lang/Object."<init>":()V
#30 = NameAndType #6:#7 // MODULE$:LHelloWorld$;
#31 = Fieldref #2.#30 // HelloWorld$.MODULE$:LHelloWorld$;
#32 = Utf8 Code
#33 = Utf8 LocalVariableTable
#34 = Utf8 LineNumberTable
#35 = Utf8 SourceFile
#36 = Utf8 Scala
{
public static final HelloWorld$ MODULE$;
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
public static {};
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=0, args_size=0
0: new #2 // class HelloWorld$
3: invokespecial #12 // Method "<init>":()V
6: return
public void main(java.lang.String[]);
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: getstatic #19 // Field scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
3: ldc #21 // String HelloWorld
5: invokevirtual #25 // Method scala/Predef$.println:(Ljava/lang/Object;)V
8: return
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 9 0 this LHelloWorld$;
0 9 1 args [Ljava/lang/String;
LineNumberTable:
line 5: 0
}
从输出结果可以知道:
HelloWorld$类有一个静态字段
[java] view
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public static final HelloWorld$ MODULE$;
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
它的访问修饰符是 public static final ， 类型是HelloWorld$ ， 字段名是 MODULE$ 。
HelloWorld$类还有一个静态初始化方法：
[java] view
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public static {};
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=0, args_size=0
0: new #2 // class HelloWorld$
3: invokespecial #12 // Method "<init>":()V
6: return
在这个静态初始化方法中， 使用new指令创建了一个HelloWorld$对象， 并且调用该对象的构造方法<init>初始化这个对象。
实际上就是对静态字段MODULE$ 的赋值。
HelloWorld$类还有一个main方法：
[java] view
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public void main(java.lang.String[]);
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: getstatic #19 // Field scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
3: ldc #21 // String HelloWorld
5: invokevirtual #25 // Method scala/Predef$.println:(Ljava/lang/Object;)V
8: return
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 9 0 this LHelloWorld$;
0 9 1 args [Ljava/lang/String;
LineNumberTable:
line 5: 0
这个main方法不是静态的， 是一个实例方法， 从它的字节码指令可以看出， 实现的是打印字符串HelloWorld的逻辑。
1 传统意义上的入口main方法被编译在HelloWorld.class中
2 在HelloWorld.class中的main方法中， 会访问HelloWorld$.class中的静态字段MODULE$ （这个字段的类型就是HelloWorld$） ， 并使用这个字段调用HelloWorld$中的main方法。
HelloWorld中的逻辑有点像下面这样（以下伪代码旨在说明原理， 并不符合java或scala的语法）：
[java] view
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public class HelloWorld{
public static void main(String[] args){
HelloWorld$.MODULE$.main(args);
}
}
3 真正打印字符串“HelloWorld”的逻辑在HelloWorld$中。 这个类有一个main实例方法， 来处理打印字符串的逻辑， 并且该类中有一个HelloWorld$类型的静态字段MODULE$ 。 上面的HelloWorld类中的入口main方法， 正是通过这个字段调用的HelloWorld$的main实例方法来打印"HelloWorld" 。
HelloWorld$中的代码有点像这样（以下伪代码旨在说明原理， 并不符合java或scala的语法）：
[java] view
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public final class HelloWorld${
public static final HelloWorld$ MODULE$ = new HelloWorld$();
public void main(String[] args){
println("HelloWorld");
}
}
所以， 如果你对class文件格式和java虚拟机足够了解的话， 那么学习scala语言就会相对简单。Java文件编译成class文件， 而Scala源文件也是编译成class文件， 虽然他们语法大相径庭， 但是最后殊途同归。 如果我们能基于class文件分析scala的行为， 有助于理解scala语言。有人说scala的语法很多很难， 其实语法终归是写法， class文件的格式是不变的， 可以把scala的语法看成java语法的高级语法糖。
本系列博客基于分析class文件， 来分析scala的语法。 如果你对class文件格式不熟悉， 建议读一下我的专栏， 该专栏是专门分析class文件和JVM行为的。 专栏地址：
http://blog.csdn.net/column/details/zhangjg-java-blog.html
Scala的HelloWorld
按照IT界的传统， 下面我们就从HelloWorld开始分析。 下面是scala版的HelloWorld源码：[plain] view
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object HelloWorld{
def main(args : Array[String]){
println("HelloWorld")
}
}
如果对scala的语法不是很熟悉， 并且对scala比较感兴趣， 建议先熟悉一下scala的基本语法。 这里简单说两以下几点：
1 以object关键字修饰一个类名， 这种语法叫做孤立对象，这个对象是单例的。 相当于将单例类和单例对象同时定义。
2 方法声明以def开头， 然后是方法名， 参数列表， 返回值， 等号， 方法体 。如下：
[plain] view
plain copy
def doSomeThing(x : Int) : Int = {
x += 1
}
如果没有返回值， 可以省略等号， 直接写方法体。
3 Array[String]是scala的一种数据类型， 可以理解为字符串数组。
这篇博客的目的不是详细的讲解语法， 而是基于class文件来分析scala语法的实现方式， 所以对于语法只简单提一下 。
反编译scala HelloWorld
我们所说的反编译， 是指使用javap工具反编译class文件， 所以， 在反编译之前， 要先使用scalac编译器编译该源文件：[plain] view
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scalac HelloWorld.scala
命令执行完成后， 可以看到HelloWorld.scala所在的目录中多出两个class文件：
其中有一个是和HelloWorld.scala对应的HelloWorld.class 。 那么HelloWorld$.class是什么呢？难道一个scala类可以生成多个class吗? 下面通过反编译来找到答案。
首先反编译HelloWorld.class ：
[plain] view
plain copy
javap -c -v -classpath . HelloWorld
反编译结果如下： （为了便于讲述， 给出了所有的输出， 会有些长）
[java] view
plain copy
Classfile /D:/Workspace/scala/scala-test/HelloWorld/HelloWorld.class
Last modified 2014-4-1; size 586 bytes
MD5 checksum 2ce2089f345445003ec6b4ef4ed4c6d1
Compiled from "HelloWorld.scala"
public final class HelloWorld
SourceFile: "HelloWorld.scala"
RuntimeVisibleAnnotations:
0: #6(#7=s#8)
ScalaSig: length = 0x3
05 00 00
minor version: 0
major version: 50
flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Utf8 HelloWorld
#2 = Class #1 // HelloWorld
#3 = Utf8 java/lang/Object
#4 = Class #3 // java/lang/Object
#5 = Utf8 HelloWorld.scala
#6 = Utf8 Lscala/reflect/ScalaSignature;
#7 = Utf8 bytes
#8 = Utf8 :Q!\t\t!S3mY><vN7ea ...
#9 = Utf8 main
#10 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#11 = Utf8 HelloWorld$
#12 = Class #11 // HelloWorld$
#13 = Utf8 MODULE$
#14 = Utf8 LHelloWorld$;
#15 = NameAndType #13:#14 // MODULE$:LHelloWorld$;
#16 = Fieldref #12.#15 // HelloWorld$.MODULE$:LHelloWorld$;
#17 = NameAndType #9:#10 // main:([Ljava/lang/String;)V
#18 = Methodref #12.#17 // HelloWorld$.main:([Ljava/lang/String;)V
#19 = Utf8 Code
#20 = Utf8 SourceFile
#21 = Utf8 RuntimeVisibleAnnotations
#22 = Utf8 ScalaSig
{
public static void main(java.lang.String[]);
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #16 // Field HelloWorld$.MODULE$:LHelloWorld$;
3: aload_0
4: invokevirtual #18 // Method HelloWorld$.main:([Ljava/lang/String;)V
7: return
}
从输出结果可以看到， 这个类确实有传统意义上的main方法。 这个main方法中的字节码指令大概是这样：
1 getstatic访问一个静态字段， 这个静态字段是定义在HelloWorld$类中的MODULE$字段， 这个字段的类型是HelloWorld$ 。 讲到这里， 大概出现了单例的影子。 我们并没有定义这个类， 所以这个类是scala编译器自动生成的， 用来辅佐HelloWorld类。
2 然后使用这个静态对象调用main方法， 这个main方法是HelloWorld$类中的， 而不是当前HelloWorld中的。 它不是静态的， 而是成员方法。
下面反编译HelloWorld$类：
[java] view
plain copy
javap -c -v -classpath . HelloWorld$
反编译结果如下：
[java] view
plain copy
Classfile /D:/Workspace/scala/scala-test/HelloWorld/HelloWorld$.class
Last modified 2014-4-1; size 596 bytes
MD5 checksum 7b3e40952539579da28edc84f370ab9b
Compiled from "HelloWorld.scala"
public final class HelloWorld$
SourceFile: "HelloWorld.scala"
Scala: length = 0x0
minor version: 0
major version: 50
flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Utf8 HelloWorld$
#2 = Class #1 // HelloWorld$
#3 = Utf8 java/lang/Object
#4 = Class #3 // java/lang/Object
#5 = Utf8 HelloWorld.scala
#6 = Utf8 MODULE$
#7 = Utf8 LHelloWorld$;
#8 = Utf8 <clinit>
#9 = Utf8 ()V
#10 = Utf8 <init>
#11 = NameAndType #10:#9 // "<init>":()V
#12 = Methodref #2.#11 // HelloWorld$."<init>":()V
#13 = Utf8 main
#14 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#15 = Utf8 scala/Predef$
#16 = Class #15 // scala/Predef$
#17 = Utf8 Lscala/Predef$;
#18 = NameAndType #6:#17 // MODULE$:Lscala/Predef$;
#19 = Fieldref #16.#18 // scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
#20 = Utf8 HelloWorld
#21 = String #20 // HelloWorld
#22 = Utf8 println
#23 = Utf8 (Ljava/lang/Object;)V
#24 = NameAndType #22:#23 // println:(Ljava/lang/Object;)V
#25 = Methodref #16.#24 // scala/Predef$.println:(Ljava/lang/Object;)V
#26 = Utf8 this
#27 = Utf8 args
#28 = Utf8 [Ljava/lang/String;
#29 = Methodref #4.#11 // java/lang/Object."<init>":()V
#30 = NameAndType #6:#7 // MODULE$:LHelloWorld$;
#31 = Fieldref #2.#30 // HelloWorld$.MODULE$:LHelloWorld$;
#32 = Utf8 Code
#33 = Utf8 LocalVariableTable
#34 = Utf8 LineNumberTable
#35 = Utf8 SourceFile
#36 = Utf8 Scala
{
public static final HelloWorld$ MODULE$;
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
public static {};
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=0, args_size=0
0: new #2 // class HelloWorld$
3: invokespecial #12 // Method "<init>":()V
6: return
public void main(java.lang.String[]);
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: getstatic #19 // Field scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
3: ldc #21 // String HelloWorld
5: invokevirtual #25 // Method scala/Predef$.println:(Ljava/lang/Object;)V
8: return
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 9 0 this LHelloWorld$;
0 9 1 args [Ljava/lang/String;
LineNumberTable:
line 5: 0
}
从输出结果可以知道:
HelloWorld$类有一个静态字段
[java] view
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public static final HelloWorld$ MODULE$;
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
它的访问修饰符是 public static final ， 类型是HelloWorld$ ， 字段名是 MODULE$ 。
HelloWorld$类还有一个静态初始化方法：
[java] view
plain copy
public static {};
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=0, args_size=0
0: new #2 // class HelloWorld$
3: invokespecial #12 // Method "<init>":()V
6: return
在这个静态初始化方法中， 使用new指令创建了一个HelloWorld$对象， 并且调用该对象的构造方法<init>初始化这个对象。
实际上就是对静态字段MODULE$ 的赋值。
HelloWorld$类还有一个main方法：
[java] view
plain copy
public void main(java.lang.String[]);
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: getstatic #19 // Field scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
3: ldc #21 // String HelloWorld
5: invokevirtual #25 // Method scala/Predef$.println:(Ljava/lang/Object;)V
8: return
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 9 0 this LHelloWorld$;
0 9 1 args [Ljava/lang/String;
LineNumberTable:
line 5: 0
这个main方法不是静态的， 是一个实例方法， 从它的字节码指令可以看出， 实现的是打印字符串HelloWorld的逻辑。
HelloWorld的实现方式总结
从上面的讲述中， 我们可知， scalac编译器使用两个class文件， 实现HelloWorld.scala源文件中的逻辑， 除了生成HelloWorld.class外， 还生产一个HelloWorld$.class 。实现逻辑如下：1 传统意义上的入口main方法被编译在HelloWorld.class中
2 在HelloWorld.class中的main方法中， 会访问HelloWorld$.class中的静态字段MODULE$ （这个字段的类型就是HelloWorld$） ， 并使用这个字段调用HelloWorld$中的main方法。
HelloWorld中的逻辑有点像下面这样（以下伪代码旨在说明原理， 并不符合java或scala的语法）：
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public class HelloWorld{
public static void main(String[] args){
HelloWorld$.MODULE$.main(args);
}
}
3 真正打印字符串“HelloWorld”的逻辑在HelloWorld$中。 这个类有一个main实例方法， 来处理打印字符串的逻辑， 并且该类中有一个HelloWorld$类型的静态字段MODULE$ 。 上面的HelloWorld类中的入口main方法， 正是通过这个字段调用的HelloWorld$的main实例方法来打印"HelloWorld" 。
HelloWorld$中的代码有点像这样（以下伪代码旨在说明原理， 并不符合java或scala的语法）：
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public final class HelloWorld${
public static final HelloWorld$ MODULE$ = new HelloWorld$();
public void main(String[] args){
println("HelloWorld");
}
}
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