Java字節(jié)碼結(jié)構(gòu)剖析一：常量池
2018-11-20 來(lái)源：importnew
這篇博客開(kāi)始，我打算帶大家去解讀一下JVM平臺(tái)下的字節(jié)碼文件（熟悉而又陌生的感覺(jué)）。眾所周知，Class文件包含了我們定義的類(lèi)或接口的信息。然后字節(jié)碼又會(huì)被JVM加載到內(nèi)存中，供JVM使用。那么，類(lèi)信息到了字節(jié)碼文件里，它們?nèi)绾伪硎镜�，以及在字�?jié)碼里是怎么分布的呢？帶著這些問(wèn)題，讓我們?nèi)ド钊肓私庾止?jié)碼文件吧。
Class文件的結(jié)構(gòu)
Class文件是一組以8位字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進(jìn)制流，各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目嚴(yán)格按照順序緊湊地排列在Class文件之中，中間沒(méi)有添加任何分隔符，這使得整個(gè)Class文件中存儲(chǔ)的內(nèi)容幾乎全部是程序運(yùn)行的必要數(shù)據(jù)，沒(méi)有空隙存在。當(dāng)遇到需要占用8位字節(jié)以上空間地?cái)?shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，則會(huì)按照高位在前的方式分割成若干個(gè)8位字節(jié)進(jìn)行存儲(chǔ)。
每一個(gè) Class 文件對(duì)應(yīng)于一個(gè)如下所示的 ClassFile 結(jié)構(gòu)體。
ClassFile {
u4 magic;
u2 minor_version;
u2 major_version;
u2 constant_pool_count;
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
u2 access_flags;
u2 this_class;
u2 super_class;
u2 interfaces_count;
u2 interfaces[interfaces_count];
u2 fields_count;
field_info fields[fields_count];
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，類(lèi)似C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體。這個(gè)結(jié)構(gòu)體中只有兩種數(shù)據(jù)類(lèi)型：無(wú)符號(hào)數(shù)和表，后面的解析都要以這兩種數(shù)據(jù)類(lèi)型為基礎(chǔ)，所以這里要先介紹這兩個(gè)概念。
無(wú)符號(hào)數(shù)屬于基本的數(shù)據(jù)類(lèi)型，以u(píng)1，u2，u4，u8來(lái)分別代表1個(gè)字節(jié)，2個(gè)字節(jié)，4個(gè)字節(jié)和8個(gè)字節(jié)的無(wú)符號(hào)數(shù)，無(wú)符號(hào)數(shù)可以用來(lái)描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或者按照UTF-8編碼構(gòu)成字符串值。
表是由多個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類(lèi)型，所有表都習(xí)慣性地以“_info”結(jié)尾。表用于描述有層次關(guān)系的復(fù)合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，整個(gè)Class文件本質(zhì)就是一張表。
下面是我的案例代碼，本章將以此代碼生成的字節(jié)碼文件作為例子來(lái)分析。
public class MyTest2 {
String str = "Welcome";
private int x = 5;
public static Integer in = 10;
public static void main(String[] args) {
MyTest2 myTest2 = new MyTest2();
myTest2.setX(8);
in = 20;
}
public void setX(int x) {
this.x = x;
}
}
對(duì)應(yīng)生成的字節(jié)碼文件格式如下：（數(shù)據(jù)內(nèi)容較多，只是截了部分）
上面的數(shù)字是以16進(jìn)制表示的。我們可以按照之前的結(jié)構(gòu)一項(xiàng)項(xiàng)去解讀它。
Class文件解析
magic
魔數(shù)，u4類(lèi)型的數(shù)據(jù)，占4個(gè)字節(jié)。魔數(shù)的唯一作用是確定這個(gè)文件是否為一個(gè)能被虛擬機(jī)所接受的 Class 文件。魔數(shù)值固定為 0xCAFEBABE（咖啡寶貝），不會(huì)改變。
minor_version、major_version
緊接著魔數(shù)之后的4個(gè)字節(jié)為Java版本信息：第5和第6個(gè)字節(jié)是次版本號(hào)（minor_version），第7和第8個(gè)字節(jié)是主版本號(hào)（major_version）。
就看當(dāng)前這個(gè)字節(jié)碼，次版本號(hào)是0×0000=0，主版本號(hào)是0×0034=52。我本地機(jī)器用的是JDK1.8，所以可生成的Class文件主版本號(hào)最大值為52.0。
下面給出了Java各個(gè)主版本號(hào)，以供參考。
constant_pool_count
常量池計(jì)數(shù)器，u2類(lèi)型的數(shù)據(jù)。它是常量池的入口，表示緊跟著它后面的常量池的元素個(gè)數(shù)。算一下，0x002F=47，即常量池里的元素有47個(gè)。這里我用jdk的內(nèi)置工具javap，反編譯一下，可以輸出常量池的信息以及元素個(gè)數(shù)。執(zhí)行命令：javap -verbose。輸出結(jié)果如下：
Constant pool: #1 = Methodref #10.#34 // java/lang/Object."<init>":()V #2 = String #35 // Welcome #3 = Fieldref #5.#36 // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.str:Ljava/lang/String; #4 = Fieldref #5.#37 // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.x:I #5 = Class #38 // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2 #6 = Methodref #5.#34 // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2."<init>":()V #7 = Methodref #5.#39 // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.setX:(I)V #8 = Methodref #40.#41 // java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer; #9 = Fieldref #5.#42 // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.in:Ljava/lang/Integer; #10 = Class #43 // java/lang/Object #11 = Utf8 str #12 = Utf8 Ljava/lang/String; #13 = Utf8 x #14 = Utf8 I #15 = Utf8 in #16 = Utf8 Ljava/lang/Integer; #17 = Utf8 <init> #18 = Utf8 ()V #19 = Utf8 Code #20 = Utf8 LineNumberTable #21 = Utf8 LocalVariableTable #22 = Utf8 this #23 = Utf8 Lcom/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2; #24 = Utf8 main #25 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V #26 = Utf8 args #27 = Utf8 [Ljava/lang/String; #28 = Utf8 myTest2 #29 = Utf8 setX #30 = Utf8 (I)V #31 = Utf8 <clinit> #32 = Utf8 SourceFile #33 = Utf8 MyTest2.java #34 = NameAndType #17:#18 // "<init>":()V #35 = Utf8 Welcome #36 = NameAndType #11:#12 // str:Ljava/lang/String; #37 = NameAndType #13:#14 // x:I #38 = Utf8 com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2 #39 = NameAndType #29:#30 // setX:(I)V #40 = Class #44 // java/lang/Integer #41 = NameAndType #45:#46 // valueOf:(I)Ljava/lang/Integer; #42 = NameAndType #15:#16 // in:Ljava/lang/Integer; #43 = Utf8 java/lang/Object #44 = Utf8 java/lang/Integer #45 = Utf8 valueOf #46 = Utf8 (I)Ljava/lang/Integer;
可是，我們得到的常量池里的元素個(gè)數(shù)是46。我們看常量池第一個(gè)元素，它的索引是從1開(kāi)始的。所以索引值范圍是1~46。設(shè)計(jì)者將第0項(xiàng)常量空出來(lái)是有特殊考慮的，這樣做的目的在于滿(mǎn)足后面某些指向常量池的索引值的數(shù)據(jù)在特定情況下需要表達(dá)“不引用任何一個(gè)常量池項(xiàng)目”的含義，這種情況就可以把索引值置為0來(lái)表示。根本原因在于，索引為0也是一個(gè)常量（保留常量），只不過(guò)它不位于常量表中。這個(gè)常量就對(duì)應(yīng)Null值，所以常量池的索引從1而非0開(kāi)始。
常量池結(jié)構(gòu)剖析
緊接其后的就是常量池了。一個(gè)Java類(lèi)中定義的很多信息都是由常量池維護(hù)和描述的。可以將常量池看作是Class文件的資源庫(kù)。比如：Java類(lèi)中定義的方法與變量信息，都是存儲(chǔ)在常量池中。常量池中主要存儲(chǔ)兩類(lèi)常量：字面常量和符號(hào)引用。字面量，如文本字符串，Java中聲明為常量值，而符號(hào)引用如類(lèi)和接口的全局限定名，字段的名稱(chēng)和描述符，方法的名稱(chēng)和描述符等。
注：常量池中存儲(chǔ)的不一定是不變的量！如，private int x = 5，x是變量，但“x”這個(gè)變量名字依然存在常量池中。
我們也可以把常量池當(dāng)做一個(gè)數(shù)組（常量池中的每一項(xiàng)常量都是一個(gè)表），與一般數(shù)組不同的是，常量池?cái)?shù)組中不同的元素類(lèi)型，結(jié)構(gòu)都是不同的，長(zhǎng)度當(dāng)然也不相同；但是每一個(gè)元素的第一個(gè)數(shù)據(jù)都是u1類(lèi)型，該字節(jié)是個(gè)標(biāo)志位，占一個(gè)字節(jié)。JVM在解析長(zhǎng)量池時(shí)，會(huì)根據(jù)這個(gè)u1類(lèi)型來(lái)獲取元素的具體類(lèi)型。目前，常量池中出現(xiàn)的常量類(lèi)型有14種，如下表：
有了這張表就可以繼續(xù)剖析常量池的內(nèi)容了，常量池第一個(gè)字節(jié)就是一個(gè)標(biāo)志位，0x000A=10，說(shuō)明第一個(gè)常量類(lèi)型是CONSTANT_Methodref_info。這是一個(gè)表類(lèi)型，它對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)是：
CONSTANT_Methodref_info {
u1 tag;
u2 class_index;
u2 name_and_type_index;
}
可知，該類(lèi)型常量占1+2+2=5個(gè)字節(jié)。所以我們從常量池前5個(gè)字節(jié)就是第一個(gè)常量元素了。緊接后面就是第二個(gè)常量，同樣的，開(kāi)始是一個(gè)標(biāo)志位，即0x008=8。可知，第二個(gè)常量是CONSTANT_String_info類(lèi)型。CONSTANT_String_info 用于表示java.lang.String類(lèi)型的常量對(duì)象，格式如下：
CONSTANT_String_info {
u1 tag;
u2 string_index;
}
所以常量池的第二個(gè)元素占3個(gè)字節(jié)。按照這個(gè)套路，我們就可以找出每一個(gè)常量了。一直數(shù)到第46個(gè)常量，常量池就結(jié)束了。此處是常量池中的14種常量項(xiàng)的結(jié)構(gòu)總表。感興趣的可以對(duì)照這個(gè)表，去把剩下的常量對(duì)照出來(lái)。
常量項(xiàng)分析
第一個(gè)常量是CONSTANT_Methodref_info類(lèi)型的，它描述了類(lèi)中方法的符號(hào)引用。class_index 項(xiàng)的值必須是對(duì)常量池的有效索引，常量池在該索引處的項(xiàng)必須是CONSTANT_Class_info結(jié)構(gòu)，表示一個(gè)類(lèi)或接口。
class_index表示的索引值是0x000A=10。根據(jù)之前?javap -verbose?輸出的常量池信息，我們可以知道常量池的#10項(xiàng)是CONSTANT_Class_info類(lèi)型的常量。該類(lèi)型常量用于表示類(lèi)或接口，格式如下：
CONSTANT_Class_info {
u1 tag;
u2 name_index;
}
name_index 項(xiàng)的值，必須是對(duì)常量池的一個(gè)有效索引。常量池在該索引處的項(xiàng)必須是CONSTANT_Utf8_info結(jié)構(gòu)，代表一個(gè)有效的類(lèi)或接口二進(jìn)制名稱(chēng)的內(nèi)部形式。
name_index 表示的索引值是43（這里我直接從上面的量池信息讀出，如果從字節(jié)碼里看，此處的值為0x002B=43）。所以接著找常量池第43項(xiàng)的常量類(lèi)型，是CONSTANT_utf8_info類(lèi)型，用于表示字符串常量的值，結(jié)構(gòu)如下：
CONSTANT_Utf8_info {
u1 tag;
u2 length;
u1 bytes[length];
}
其中，length 項(xiàng)的值指明了 bytes[]數(shù)組的長(zhǎng)度，bytes[]是表示字符串值的byte數(shù)組。在這里，我把字節(jié)碼常量池中#43處常量的16進(jìn)制值單獨(dú)拿出來(lái)來(lái)看。下圖有背景色的部分就是完整的CONSTANT_Utf8_info類(lèi)型常量表示。
第一個(gè)字節(jié)是標(biāo)志位，0×0001=1。說(shuō)明此常量類(lèi)型是CONSTANT_Utf8_info。后面2個(gè)字節(jié)是0×0010=16，表示后面bytes[]長(zhǎng)度為16。所以往后數(shù)16個(gè)字節(jié)就是整個(gè)它表示的字符串常量。
bytes[]第一個(gè)字節(jié)值，0x006A。根據(jù) ASCII碼對(duì)照表，代表的字符串是”j”。依次的，第二個(gè)字節(jié)0×0061，代表“a”，等等。把16個(gè)字節(jié)看完你就得到了字符串常量表示“java/lang/Object”。好了這表示一個(gè)類(lèi)的全限定名。饒了一大圈，終于找到最終要表示的常量信息了。
到此，我們把第一個(gè)常量的結(jié)構(gòu)中的class_index就解析完了，還剩一個(gè)name_and_type_index。它表示了常量池在該索引處的項(xiàng)必須是 CONSTANT_NameAndType_info結(jié)構(gòu)，它表示當(dāng)前字段或方法的名字和描述符。后面大家可以根據(jù)常量池中的14種常量項(xiàng)的結(jié)構(gòu)總表，并結(jié)合javap得到的常量池信息，自己去分析每個(gè)常量在常量池里是怎么個(gè)回事。
總結(jié)
這篇文章介紹了，字節(jié)碼文件的結(jié)構(gòu)組成，并分析了魔數(shù)、次主版本號(hào)和常量池。尤其帶大家深入分析了常量池的組成結(jié)構(gòu)，并拿例子中的常量池第一個(gè)常量作為案例，完整解析它在常量池中的各項(xiàng)引用。套路都是一樣的，常量池后面的常量，大家可以自己去分析了。你會(huì)發(fā)現(xiàn)類(lèi)中有用的信息都存在了我們的常量池里，然后以索引的形式，給代碼使用。這也就是常量池作為class文件的資源倉(cāng)庫(kù)的原因了。
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