java字节码(class)文件深度解析

1.Class文件基础

 
(1)文件格式
 
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Class文件的结构不像XML等描述语言那样松散*。由于它没有任何分隔符号,
所以,以上数据项无论是顺序还是数量都是被严格限定的。哪个字节代表什么
含义,长度是多少,先后顺序如何,都不允许改变。
 
(2)数据类型
 
仔细观察上面的Class文件格式,可以看出Class文件格式采用一种类似于C语言
结构体的伪结构来存储,这种伪结构中只有两种数据类型:无符号数和表
无符号数就是u1、u2、u4、u8来分别代表1个、2个、4个、8个字节。表是由
多个无符号数或其他表构成的复合数据类型,以“_info”结尾。在表开始位置,
通常会使用一个前置的容量计数器,因为表通常要描述数量不定的多个数据。
 
下图表示的就是Class文件格式中按顺序各个数据项的类型:
 
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(3)兼容性
 
高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件,但不能运行以后版本的Class文件,
即使文件格式未发生任何变化。举例来说,JDK 1.7中的JRE能够执行JDK 1.5编译
出的Class文件,但是JDK 1.7编译出来的Class文件不能被JDK 1.5使用。这就是
target参数的用处,可以在使用JDK 1.7编译时指定-target 1.5。
 
 
2.一个简单的例子
  1. package com.cdai.jvm.bytecode;  
  2.   
  3. public class ByteCodeSample {  
  4.   
  5.     private String msg = "hello world";  
  6.       
  7.     public void say() {  
  8.         System.out.println(msg);  
  9.     }  
  10.       
  11. }  
package com.cdai.jvm.bytecode;

public class ByteCodeSample {

	private String msg = "hello world";
	
	public void say() {
		System.out.println(msg);
	}
	
}
编译成Class文件后的样子:
 
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3.逐个字节分析
 
(1)魔数和版本号
 
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前四个字节(u4)cafebabe就是Class文件的魔数,第5、6字节(u2)是Class文件的
次版本号,第7、8字节(u2)是主版本号。十六进制0和32,也就是版本号为50.0,
即JDK 1.6。之前介绍的target参数会影响这四个字节的值,从而使Class文件兼容不同
的JDK版本。
 
(2)常量池
 
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常量池是一个表结构,并且就像之前介绍过的,在表的内容前有一个u2类型的计数器,
表示常量池的长度。十六进制23的十进制值为35,表示常量池里有下标为1~34的表项。
下标从1开始而不是0,是因为第0个表项表示“不引用常量池中的任意一项”。每个表项
的第一个字节是一个u1类型,表示12中数据类型。具体含义如下:
 
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以第一项07 00 02为例,07表示该常量是个CONSTANT_Class_info类型,紧接着一个u2
类型的索引执行第2项常量。再看第二项01 00 24 63 6f 6d 2f ... 65表示的就是字符串
类型,长度为36(十六进制00 24),紧接着就是UTF-8编码的字符串"com/cdai/jvm/bytecode
/ByteCodeSample"。很容易读懂吧?常量池主要是为后面的字段表和方法表服务的。
 
下面是通过javap解析后常量池的全貌(执行javap -c -l -s -v ByteCodeSample,使用-p可以获取私有成员信息,具体查看-help
 
 Constant pool:
const #1 = class        #2;     //com/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample
const #2 = Asciz        com/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;
const #3 = class        #4;     //java/lang/Object
const #4 = Asciz        java/lang/Object;
const #5 = Asciz        msg;
const #6 = Asciz        Ljava/lang/String;;
const #7 = Asciz        <init>;
const #8 = Asciz        ()V;
const #9 = Asciz        Code;
const #10 = Method      #3.#11; //java/lang/Object."<init>":()V
const #11 = NameAndType #7:#8;//"<init>":()V
const #12 = String      #13;    //  hello world
const #13 = Asciz       hello world;
const #14 = Field       #1.#15; // com/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample.msg:Ljava/lang/String;
const #15 = NameAndType #5:#6;//  msg:Ljava/lang/String;
const #16 = Asciz       LineNumberTable;
const #17 = Asciz       LocalVariableTable;
const #18 = Asciz       this;
const #19 = Asciz       Lcom/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;;
const #20 = Asciz       say;
const #21 = Field       #22.#24;        //  java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
const #22 = class       #23;    //  java/lang/System
const #23 = Asciz       java/lang/System;
const #24 = NameAndType #25:#26;//  out:Ljava/io/PrintStream;
const #25 = Asciz       out;
const #26 = Asciz       Ljava/io/PrintStream;;
const #27 = Method      #28.#30;        //  java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
const #28 = class       #29;    //  java/io/PrintStream
const #29 = Asciz       java/io/PrintStream;
const #30 = NameAndType #31:#32;//  println:(Ljava/lang/String;)V
const #31 = Asciz       println;
const #32 = Asciz       (Ljava/lang/String;)V;
const #33 = Asciz       SourceFile;
const #34 = Asciz       ByteCodeSample.java;     
 
(3)访问标志
 
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显然,00 21表示的就是公有的类。
 
(4)类、父类、接口
 
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这三个u2类型的值分别表示类索引1、父类索引3、接口索引集合0。查看之前的常量池,
第1项为"com/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample",第3项为"java/lang/Object"。第0项
表示此类没有实现任何接口,这也就是常量池第0项的作用!
 
(5)字段表
 
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00 01表示有1个字段。00 02是字段的访问标志,表示private权限的。00 05是字段的名称
索引,指向常量池里第5项"msg"。00 06是字段的描述符索引,指向常量池里的第6项
"Ljava/lang/String"。最后的00 00表示该字段没有其他属性表了。
 
描述符的作用就是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表和返回值。而属性表就是为
字段表和方法表提供额外信息的表结构。对于字段来说,此处如果将字段声明为一个static
final msg = "aaa"的常量,则字段后就会跟着一个属性表,其中存在一项名为ConstantValue,
指向常量池中的一个常量,值为的"aaa"。
 
属性表不像Class文件中的其他数据项那样具有严格的顺序、长度和内容,任何人实现的编译器
都可以向属性表中写入自己定义的属性信息,JVM会忽略掉它不认识的属性。后面的方法表中
还要用到属性表的Code属性,来保存方法的字节码。
 
(6)方法表
 
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00 02表示有两个方法。00 01是方法的访问标志,表示公有方法。00 07和00 08与字段表中的名称
和描述符索引相同,在这里分别表示"<init>"和"()V"。00 01表示该方法有属性表,属性名称为00 09
即我们前面提到的Code属性。
 
要注意的是:Code属性表也可以有自己的属性,如后面的LocalVariableTable和LineNumberTable。
它们分别为JVM提供方法的栈信息和调试信息。
 
以下是javap解析后的结果:
 
public com.cdai.jvm.bytecode.ByteCodeSample();
 
Signature: ()V
  LineNumberTable:
   line 3: 0
   line 5: 4
   line 3: 10

  LocalVariableTable:
   Start  Length  Slot  Name  
Signature
   0      11      0    this      
Lcom/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;


  Code:
   Stack=2,
Locals=1, Args_size=1
   0:   aload_0
   1:   invokespecial   #10;
//Method java/lang/Object."<init>":()V
   4:   aload_0
   5:  
ldc     #12; //String hello world
   7:   putfield        #14; //Field
msg:Ljava/lang/String;
   10:  return
  LineNumberTable:
   line 3:
0
   line 5: 4
   line 3: 10

  LocalVariableTable:
   Start 
Length  Slot  Name   Signature
   0      11      0    this      
Lcom/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;


public void say();
 
Signature: ()V
  LineNumberTable:
   line 8: 0
   line 9: 10

 
LocalVariableTable:
   Start  Length  Slot  Name   Signature
   0     
11      0    this       Lcom/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;

 
Code:
   Stack=2, Locals=1, Args_size=1
   0:   getstatic       #21;
//Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   3:   aload_0
   4:  
getfield        #14; //Field msg:Ljava/lang/String;
   7:   invokevirtual  
#27; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   10: 
return
  LineNumberTable:
   line 8: 0
   line 9: 10

 
LocalVariableTable:
   Start  Length  Slot  Name   Signature
   0     
11      0    this       Lcom/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;    
         
 
4.小结
 
怎么样并不难吧!接下来我们将要学习下如何用字节码工具如ASM、CGLIB来手写
字节码,从而加深对字节码的理解。

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