JVM_06 类加载与字节码技术(类文件结构)

2024-01-31 11:29:40

类加载与字节码技术

JVM_06 类加载与字节码技术(类文件结构)

1、类文件结构

一个简单的 HelloWorld.java 程序：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world!");
    }
}

接下来执行：javac -parameters -d . HelloWorld.java 命令编译.java文件为.class文件：

JVM_06 类加载与字节码技术(类文件结构)

获得二进制字节码文件后怎么读呢？有2种方式：

  • 方式一：JDK自带的反编译工具：javap -verbose XXX.class

JVM_06 类加载与字节码技术(类文件结构)

JVM_06 类加载与字节码技术(类文件结构)

根据 JVM 规范，类文件结构如下

JVM_06 类加载与字节码技术(类文件结构)


1.1 魔数(u4 magic)

魔数(u4 magic)：对应字节码文件的0~3个字节，表示文件的特定类型，不同文件有自己不同的魔数信息，例如java的二进制.class文件的魔数类型就是如下：

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 091

对于这个cafebabe的由来就不再说了！


1.2 版本(u2 minor_version、u2 major_version)

版本：对应字节码文件的4~7个字节，表示类的版本 ：

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

这里的十六进制 34H(00 34) 表示十进制的 52，代表的就是JDK8，依次类推：51 就是 JDK 7，53 就是JDK 9。


1.3 常量池

常量池表：

Constant Type 常量类型 Value 常量对应的序号（十进制）
CONSTANT_Class 7
CONSTANT_Fieldref 9
CONSTANT_Methodref 10
CONSTANT_InterfaceMethodref 11
CONSTANT_String 8
CONSTANT_Integer 3
CONSTANT_Float 4
CONSTANT_Long 5
CONSTANT_Double 6
CONSTANT_NameAndType 12
CONSTANT_Utf8 1
CONSTANT_MethodHandle 15
CONSTANT_MethodType 16
CONSTANT_InvokeDynamic 18

案例分析：

8~9 字节，表示常量池长度，00 23 （35） 表示常量池有 #1~#34项，注意#0 项不计入，也没有值
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

  • 第#1项 0a (十六进制) 对应的十进制是10，查找常量池表得知为CONSTANT_Methodref，即方法引用(方法信息)，00 06 （6） 和 00 15（21） 表示它引用了常量池中 #6 和#21 项来获得这个方法的【所属类】和【方法名】。

    0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

  • 第#2项 09 查找常量池表得知，表示一个 Field 信息，00 16（22）和 00 17（23） 表示它引用了常量池中 #22 和# 23 项来获得这个成员变量的【所属类】和【成员变量名】

    0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

    0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

  • 第#3项 08 表示一个字符串常量名称，00 18（24）表示它引用了常量池中#24 项

    0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

  • 第#4项 0a 表示一个 Method 信息，00 19（25） 和 00 1a（26） 表示它引用了常量池中 #25 和 #26
    项来获得这个方法的【所属类】和【方法名】

    0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

  • 第#5项 07 表示一个 Class 信息，00 1b（27） 表示它引用了常量池中 #27 项

    0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

  • 第#6项 07 表示一个 Class 信息，00 1c（28） 表示它引用了常量池中 #28 项

    0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

    0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29

  • 第#7项 01 表示一个 utf8 串，00 06 表示长度，3c 69 6e 69 74 3e 是【 】

    0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29

  • 第#8项 01 表示一个 utf8 串，00 03 表示长度，28 29 56 是【()V】其实就是表示无参、无返回值

    0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29

    0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e

  • 第#9项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，43 6f 64 65 是【Code】

    0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e

  • 第#10项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，4c 69 6e 65 4e 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65
    是【LineNumberTable】

    0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e

    0000100 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 12 4c 6f 63

  • 第#11项 01 表示一个 utf8 串，00 12（18） 表示长度，4c 6f 63 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61
    62 6c 65是【LocalVariableTable】

    0000100 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 12 4c 6f 63

    0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01

  • 第#12项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，74 68 69 73 是【this】

    0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01

    0000140 00 04 74 68 69 73` 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63

  • 第#13项 01 表示一个 utf8 串，00 1d（29） 表示长度，是【Lcn/itcast/jvm/t5/HelloWorld;】

    0000140 00 04 74 68 69 73 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63

    0000160 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c 6f

  • 第#14项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，74 68 69 73 是【main】

    0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16

  • 第#15项 01 表示一个 utf8 串，00 16（22） 表示长度，是【([Ljava/lang/String;)V】其实就是参数为
    字符串数组，无返回值

    0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e01 00 16

    0000220 28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72

    0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13

  • 第#16项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，是【args】

    0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13

  • 第#17项 01 表示一个 utf8 串，00 13（19） 表示长度，是【[Ljava/lang/String;】

    0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13 0000260 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e

    67 2f 53 74 72 69 0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61

  • 第#18项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【MethodParameters】

    0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61

    0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46

  • 第#19项 01 表示一个 utf8 串，00 0a（10） 表示长度，是【SourceFile】

    0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46

    0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64

  • 第#20项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，是【HelloWorld.java】

    0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64 0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07
    00 1d 0c 00 1e

  • 第#21项 0c 表示一个 【名+类型】，00 07 00 08 引用了常量池中 #7 #8 两项
    0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e

  • 第#22项 07 表示一个 Class 信息，00 1d（29） 引用了常量池中 #29 项
    0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e

  • 第#23项 0c 表示一个 【名+类型】，00 1e（30） 00 1f （31）引用了常量池中 #30 #31 两项 0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d0c 00 1e

    000040000 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64

  • 第#24项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，是【hello world】

    0000400 00 1f01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64

  • 第#25项 07 表示一个 Class 信息，00 20（32） 引用了常量池中 #32 项

    0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74

  • 第#26项 0c 表示一个 【名+类型】，00 21（33） 00 22（34）引用了常量池中 #33 #34 两项

    0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74

  • 第#27项 01 表示一个 utf8 串，00 1b（27） 表示长度，是【cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld】

    0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74

    0000440 63 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c

    0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61

  • 第#28项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【java/lang/Object】

    0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61

    0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61

  • 第#29项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【java/lang/System】

    0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61

    0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f

  • 第#30项 01 表示一个 utf8 串，00 03 表示长度，是【out】

    0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f

    0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72

  • 第#31项 01 表示一个 utf8 串，00 15（21） 表示长度，是【Ljava/io/PrintStream;】

    0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72

    0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76

  • 第#32项 01 表示一个 utf8 串，00 13（19） 表示长度，是【java/io/PrintStream】

    0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76

    0000600 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d

  • 第#33项 01 表示一个 utf8 串，00 07 表示长度，是【println】
    0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a

  • 第#34项 01 表示一个 utf8 串，00 15（21） 表示长度，是【(Ljava/lang/String;)V】

    0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a

    0000640 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b

    0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01


1.4 访问标识与继承信息

21 表示该 class 是一个类，公共的类：

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01 05

表示根据常量池中 #5 找到本类全限定名：

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01 06

表示根据常量池中 #6 找到父类全限定名：

0000660 29 56 00 21 00 0500 06 00 00 00 00 00 02 00 01

表示接口的数量，本类为：

0 0000660 29 56 00 21 00 05 00 0600 00 00 00 00 02 00 01

Flag Name Value Interpretation
ACC_PUBLIC 0x0001 Declared public ; may be accessed from outside its package.(公共)
ACC_FINAL 0x0010 Declared final ; no subclasses allowed.(Final)
ACC_SUPER 0x0020 Treat superclass methods specially when invoked by the invokespecial instruction.(类)
ACC_INTERFACE 0x0200 Is an interface, not a class.(接口)
ACC_ABSTRACT 0x0400 Declared abstract ; must not be instantiated.(抽象)
ACC_SYNTHETIC 0x1000 Declared synthetic; not present in the source code.(人工合成的代码，非源代码)
ACC_ANNOTATION 0x2000 Declared as an annotation type. (注解)
ACC_ENUM 0x4000 Declared as an enum type. (枚举)

1.5 Field 信息

表示成员变量数量，本类为

0 0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

FieldType Type Interpretation
B byte signed byte
C char Unicode character code point in the Basic Multilingual Plane, encoded with UTF-16
D double double-precision floating-point value
F float single-precision floating-point value
I int integer
J long long integer
L ClassName ; reference an instance of class ClassName
S short signed short
Z boolean true or false
[ reference one array dimension

1.6 Method 信息

表示方法数量，本类为 2

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

一个方法由 访问修饰符，名称，参数描述，方法属性数量，方法属性组成：

  • 红色代表访问修饰符（本类中是 public）
  • 蓝色代表引用了常量池 #07 项作为方法名称
  • 绿色代表引用了常量池 #08 项作为方法参数描述
  • 黄色代表方法属性数量，本方法是 1
  • 红色代表方法属性
    • 00 09 表示引用了常量池 #09 项，发现是【Code】属性
    • 00 00 00 2f 表示此属性的长度是 47
    • 00 01 表示【操作数栈】最大深度
    • 00 01 表示【局部变量表】最大槽（slot）数
    • 2a b7 00 01 b1 是字节码指令
    • 00 00 00 02 表示方法细节属性数量，本例是 2
    • 00 0a 表示引用了常量池 #10 项，发现是【LineNumberTable】属性
      • 00 00 00 06 表示此属性的总长度，本例是 6
      • 00 01 表示【LineNumberTable】长度
      • 00 00 表示【字节码】行号 00 04 表示【java 源码】行号
    • 00 0b 表示引用了常量池 #11项，发现是【LocalVariableTable】属性
      • 00 00 00 0c 表示此属性的总长度，本例是 12
      • 00 01 表示【LocalVariableTable】长度
      • 00 00 表示局部变量生命周期开始，相对于字节码的偏移量
      • 00 05 表示局部变量覆盖的范围长度
      • 00 0c 表示局部变量名称，本例引用了常量池#12 项，是【this】
      • 00 0d 表示局部变量的类型，本例引用了常量池 #13 项，是 【Lcn/itcast/jvm/t5/HelloWorld;】
      • 00 00 表示局部变量占有的槽位（slot）编号，本例是 0

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

0000700 00 07 00 08 00 01 00 09 00 00 00 2f 00 01 00 01

0000720 00 00 00 05 2a b7 00 01 b1 00 00 00 02 00 0a 00

0000740 00 00 06 00 01 00 00 00 04 00 0b 00 00 00 0c 00

0000760 01 00 00 00 05 00 0c 00 0d 00 00 00 09 00 0e 00

  • 红色代表访问修饰符（本类中是 public static）
  • 蓝色代表引用了常量池#14 项作为方法名称
  • 绿色代表引用了常量池 #15 项作为方法参数描述
  • 黄色代表方法属性数量，本方法是 2
  • 红色代表方法属性（属性1）
    • 00 09 表示引用了常量池 #09 项，发现是【Code】属性
    • 00 00 00 37 表示此属性的长度是 55
    • 00 02 表示【操作数栈】最大深度
    • 00 01 表示【局部变量表】最大槽（slot）数
    • 00 00 00 05 表示字节码长度，本例是 9
    • b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 是字节码指令
    • 00 00 00 02 表示方法细节属性数量，本例是 2
    • 00 0a 表示引用了常量池 #10 项，发现是【LineNumberTable】属性
      • 00 00 00 0a 表示此属性的总长度，本例是 10
      • 00 02 表示【LineNumberTable】长度
      • 00 00 表示【字节码】行号 00 06 表示【java 源码】行号
      • 00 08 表示【字节码】行号 00 07 表示【java 源码】行号
    • 00 0b 表示引用了常量池 #11 项，发现是【LocalVariableTable】属性
      • 00 00 00 0c 表示此属性的总长度，本例是 12
      • 00 01 表示【LocalVariableTable】长度
      • 00 10 表示局部变量名称，本例引用了常量池 #16 项，是【args】
      • 00 11 表示局部变量的类型，本例引用了常量池 #17 项，是【[Ljava/lang/String;】
      • 00 00 表示局部变量占有的槽位（slot）编号，本例是 0

0000760 01 00 00 00 05 00 0c 00 0d 00 00 00 09 00 0e 00

0001000 0f 00 02 00 09 00 00 00 37 00 02 00 01 00 00 00

0001020 09 b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 00 00 00 02 00 0a

0001040 00 00 00 0a 00 02 00 00 00 06 00 08 00 07 00 0b

0001060 00 00 00 0c 00 01 00 00 00 09 00 10 00 11 00 00

红色代表方法属性（属性2）

  • 00 12 表示引用了常量池 #18 项，发现是【MethodParameters】属性
    • 00 00 00 05 表示此属性的总长度，本例是 5
    • 01 参数数量
    • 00 10 表示引用了常量池 #16 项，是【args】
    • 00 00 访问修饰符

0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00

0001120 00 00 02 00 14


1.7 附加属性

  • 00 01 表示附加属性数量
  • 00 13 表示引用了常量池 #19 项，即【SourceFile】
  • 00 00 00 02 表示此属性的长度
  • 00 14 表示引用了常量池 #20 项，即【HelloWorld.java】

0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00

0001120 00 00 02 00 14

参考文献 https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html

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