JVM Bytecode

分析字节码的步骤：

  1. 预备好字节码文件参照表，这里有定义好的一些结构，比如字面量、常量池类型和它相关的数据结构、接口相关的数据结构、类相关的等等，可以找官方的 Java Virtual Machine Specification / The class file format.

  2. 编译源码得到 class 文件，用 16 进制查看器可以看到二进制内容

  3. 根据字节码文件的结构定义，按顺序进行分析，不懂的就查手册

字节码

字节码是 JVM 虚拟机规范的一部分，它是 Java 实现一次编译到处运行的关键，它连接了 Java 源码和机器码，所以掌握字节码对于理解 JVM 虚拟机的运行机制非常有帮助。

在 JVM 的虚拟机规范中有关于字节码类文件的定义，参看 Java Virtual Machine Specification / The class file format. 字节码文件结构是一组以 8 字节为基础的二进制流，各数据严格按照顺序紧凑的排列在文件中，中间并没有特殊的分隔符，如何识别不同的组（或者说不同的部分）？使用的是长度标识的方法。下面是字节码文件结构的大致组成部分：

字节码文件组成部分

通过一段程序来分析:

将上面这段代码编译后，会产生 3 个 .class 文件，分别是：BytecodeTest.class, BytecodeReader.class, Reader.class，当我们运行 BytecodeTest.java 中的 main 方法时，JVM 的类加载系统会把这三个字节码文件都加载到内存的方法区（这个区域在 1.8 及以后被叫做元空间 Metaspace），类加载的过程也是读取字节码文件，然后在内存中构建 Java 可使用的对象的过程。

来详细分析一下这些字节码文件，分析最复杂的 BytecodeTest.class 文件，用 16 进制查看器查看这个文件如下：

上面有一张字节码文件的大致组成部分的图，依次来分析

  • 最开始的前 4 个字节，是魔数，用来快速判断这是不是一个 Java 的字节码文件，如果不是直接退出或者报错；CAFEBABE 这 4 个字节是 Java 的魔数

  • 紧接着的 4 个字节 0000 0034 , 前两个字节是此版本号，后两个字节是主版本号，0034 表示是 JDK 1.8

  • 接着就是常量池的部分，由常量池个数和常量池表组成

    • 第 9～10 这 2 字节表示常量池中常量的个数，这里是 0036 ，10 进制是 54，那么常量池表中的数据项就是 53 个，为啥需要 -1，因为常量池中的第0个位置被我们的jvm占用了表示为null 所以我们通过编译出来的常量池索引是从1开始的

    • 紧接着后面的就是常量池表了，逐项分析，在这个常量池表中的每一项都以1个字节长度的 tag 来标记常量的类型

    • 常量池表中的第 1 项，0A 表示 CONSTANT_Methodref_info, 这种类型的常量后面有 2 字节的类索引 (CONSTANT_Class_info)和 2 字节的名称及类型描述符(CONSTANT_NameAndType_info ); 所以 00 0E 是 14，表示指向常量池中位置是 14 的常量； 00 1E 是 30, 表示指向常量池中位置是 30 的常量，而且这个常量的类型是 NameAndType_info

    • 第二个常量 07 00 1F, 07 表示 CONSTANT_Class_info , 接着的 2 个字节指向权限定类名，指向索引 31，索引 31 处其实是 31 = Utf8 io/github/shniu/toolbox/BytecodeReader , 它是一个 Utf8 的字面量

    • 第三个常量 0A 00 02 00 1E，表示是一个 CONSTANT_Methodref_info , 分别指向索引 2 和 30，也就是指向 BytecodeReader 的无参构造方法

    • 以此类推进行分析即可

  • 常量池后紧接着是访问标志符号，2 个字节，我们的文件里是 00 21 ，表示是 0x0021 是通过位运算 & 计算出来的，这个 class 的访问权限是 ACC_PUBLIC 和 ACC_SUPER

  • 紧接着是 this class name, 表示当前所属类，2 个字节，值为 00 05 ，表示索引指向为 5 的常量池中的元素，#5 位置是一个 class，指向了 BytecodeTest

  • 再接着是 super class name, 表示当前类继承的父类名称，占用 2 个字节，值为 00 0F ，表示指向 #15，而这个位置是 Object 类，也就是当前类的父类是 Object

  • 再接着是接口的相关信息，2 个字节表示接口数量，后面跟着的是接口表；接口数量是 00 00 ，说明当前类没有实现接口；如果当前类实现了接口，比如代码中的 BytecodeReader 类实现了一个接口 Reader ，那么这里的值就是 00 01 ，紧接着的 2 个字节就是该接口指向的常量池中的位置，为 00 07 ，#7 指向的是 Class_info

  • 接口信息之后是字段表的信息，它表示的是类变量或者实例变量，但不包括方法的局部变量，接着的 2 个字节是字段的个数，值为 00 02 ；

    • 每个字段表按如下方式组成

    • `00 1A 00 10 00 11 00 01 00 12 00 00

字段的数据结构

  • 方法表

00 03 表示有 3 个方法，在我们的类中是 无参构造方法、startup 方法、main 方法

  • 最后是 .class 文件属性: 00 01 00 1D 00 00 00 02 00 1E , 表示有 1(00 01) 个属性，属性指向的位置是 00 1D，也就是 #29，属性的长度是 00 00 00 02 也就是长度为 2，00 1E 就是属性的值，指向 #30

文件属性结构

字节码文件内容如下

LineNumberTable属性

LineNumberTable是Code属性中的一个子属性，用来描述java源文件行号与字节码文件偏移量之间的对应关系。当程序运行抛出异常时，异常堆栈中显示出错的行号就是根据这个对应关系来显示的

总结

字节码组织结构
常量池类型分类

Reference

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