Java 类文件结构实例分析
来源:互联网 发布:录视频软件下载 编辑:程序博客网 时间:2024/05/30 04:32
1.流程
创建 HelloWorld.java
代码如下
package jvm;/** * @author lidiqing * @since 2017/3/4. */public class HelloWorld { private final String text = "Hello World!"; public HelloWorld() { } public String getText() { return text; }}
编译成 HelloWorld.class
使用
javap -version HelloWorld.class
输出字节信息使用 winhex 查看二进制数据
2.结构详解
2.1 Class 文件格式
2.1.1 概述
结构:Class 文件 == 8位字节为单位的二进制流 == 无符号数 + 表
- u2, u4 => 无符号数,代表2个字节,u4 代表4个字节
- xxx_info => 表,无符号数或其他表构成,整个 class 就是一张表
- cp_info 常量表
- field_info 字段表
- method_info 方法表
- attribute_info 属性表
特点:
- 不依赖于任何操作系统
- 数据存储使用大端字节序
文件格式:
2.2 魔数和版本
2.2.1 概述
魔数
唯一作用:确认该文件能被虚拟机接受
类加载过程中的验证阶段,会判断该 Magic版本号和编译器 JDK 有关
2.2.2 数据分析
magic
固定值:0xCAFEBABYminor_version
次版本号:0x0000major_version
主版本号:0x0034
2.2.3 表
Class 文件的版本表
2.3 常量池(常量表集合)
2.3.1 概述
特点:
- Class 文件的资源仓库
- Class 文件中和其他项目关联最多
- Class 文件中最大的数据项目之一
主要类型:
- 字面量,语言层面的常量,如文本字符串,final常量(如字符串 ‘HelloWorld!’)
- 符号引用,编译层面的常量
- 类和接口的全限定名(如
jvm/HelloWorld
) - 字段的名称和描述符 (如
jvm/Helloworld/text:Ljava/lang/String;
) - 方法的名称和描述符(如
java/lang/Object."<init>":()V
)
- 类和接口的全限定名(如
作用:
无论是字段表、方法表还是属性表,只要涉及到一些常量或者描述,都会有个索引指向该表的某个位置
2.3.2 数据分析
在 class 中的二进制数据
constant_pool_count => 0x19
容量计数,常量表从 1 开始计数,所以 0x19 只有 0x18 个常量,十进制 24 个常量
这样的话,如果因为其他地方用了索引为 0,常量为空,比如 java.lang.Object 对象是所有类的基类,父索引为 0constant_pool
对照 2.3.3 的常量池结果总表来进行分析,直接用 javap 输出 24 个常量如下Constant pool: #1 = Methodref #5.#20 // java/lang/Object."<init>":()V #2 = String #21 // Hello World! #3 = Fieldref #4.#22 // jvm/HelloWorld.text:Ljava/lang/String; #4 = Class #23 // jvm/HelloWorld #5 = Class #24 // java/lang/Object #6 = Utf8 text #7 = Utf8 Ljava/lang/String; #8 = Utf8 ConstantValue #9 = Utf8 <init> #10 = Utf8 ()V #11 = Utf8 Code #12 = Utf8 LineNumberTable #13 = Utf8 LocalVariableTable #14 = Utf8 this #15 = Utf8 Ljvm/HelloWorld; #16 = Utf8 getText #17 = Utf8 ()Ljava/lang/String; #18 = Utf8 SourceFile #19 = Utf8 HelloWorld.java #20 = NameAndType #9:#10 // "<init>":()V #21 = Utf8 Hello World! #22 = NameAndType #6:#7 // text:Ljava/lang/String; #23 = Utf8 jvm/HelloWorld #24 = Utf8 java/lang/Object
Methodref,是方法的符号引用,比如虚拟机调用 invokespecial 指令会用到,比如该类的初始化方法字节码指令中有这么一条
1: invokespecial #1
这样会实例化 #1 的方法,而 #1 是 java.lang.Object 的初始化方法,所以该指令执行了 Object 的初始化
Fieldref,是字段的符号引用,比如虚拟机调用 putfield 指令会去解析该符号引用7: putfield #3
这样的话会把该符号引用对应的变量,设置为栈帧中的值
NameAndType,字段或者方法的描述,有名称和描述符组合起来
Class,表示一个类的全限定名
String,表示一个字符串常量
Utf8,使用 utf-8 格式编码的字符串,最后其他类型的常量都会指向这些值,这是最基本的常量值
Class 文件加载后,常量池的字面量和符号引用会被存入方法区,多个线程共享。方法区又称为永久代,GC 基本不在方法区进行垃圾回收。但也会有,比如一些废弃的常量和无用的类
2.4 访问标志
2.4.1 概述
识别类或接口层次的访问信息
u2类型=2个字节=16位可用,目前只定义了8个,可见后面的访问标志表
2.4.2 数据分析
在 class 中的二进制信息
- access_flags
该值为 0x21 = 0x01| 0x20
0x01 => ACC_PUBLIC
0x20 => ACC_SUPER
对照访问标志表,可知是一个普通的 public 类
使用 JDK 1.0.2 之后编译出来的类的 ACC_SUPER 均为真
2.4.3 访问标志表
2.5 索引集合
2.5.1 概述
分为三种类型用来确定整个类的继承关系,属于类的元数据
- 类索引(this_class)
- 父类索引(super_class)
- 接口索引集合(interfaces)
根据规则,每个类只能有一个父类,但可以有多个接口
而更特殊的 java.lang.Object 是没有父类的,毕竟是所有类的基类,所以有且仅有 Object 类的父类索引为 0
2.5.2 数据分析
在 class 中的二进制信息
this_class => 0x0004
这里指向常量池第4个常量,为 Class,全限定名为 jvm/HelloWorld
使用 javap 解析到的数据Constant pool #4 = Class #23 #23 = Utf8 jvm/HelloWorld
这个索引用来表示该类的全限定名
super_class => 0x0005
常量池第5个常量,为 Class,全限定名为 java/lang/Object
使用 javap 解析到的数据Constant pool #5 = Class #24 #24 = Utf8 java/lang/Object
这个索引用来表示该类父类的全限定名,所以该类的父类就是 java/lang/Object
interfaces_count => 0x0000
接口数量为 0
因为没有实现任何接口interfaces
因为接口数量为 0,所以后面没有接口数据
2.6 字段表集合
2.6.1 概述
范围:包含类级、实例级变量,不包括方法内部声明的局部变量
信息:
使用标记表示
- 作用域
- public
- private
- protect
- static 实例变量还是类变量
- final 可变性
- volatile 并发可见性
- transient 可被序列化
用常量表示
- 字段数据类型(基本类型、对象、数组)
- 字段名称
2.6.2 数据分析
fields_count => 0x0001
有一个字段fields
从 fields_count 知道只有一个字段,查表可以得到 field_info 各个部分为:
access_flags => 0x0012=0x0010|0x0002
根据字段访问标志可知,这是个 private 和 final 型属性
name_index => 0x0006
索引对应常量池第6个常量,名为 “text”Constant pool #6 = Utf8 text
descriptor_index => 0x0007
索引对应常量池第7个常量,所以描述符为 “Ljava/lang/String;”Constant pool #6 = Utf8 Ljava/lang/String;
attribute_count => 0x0001
所以该字段有一个属性,接下来就是详细的 attribute_info 数据,表示该字段的属性
attribute_name_index => 0x0008
索引对应常量池第8个常量,属性名称为 “constantvalue”Constant pool #8 = Utf8 constantvalue
该属性用来通知虚拟机自动为静态变量赋值。这个发生在类的加载过程中的初始化阶段。关于类变量,初始化的时候会给默认值,但如果有 Constantvalue 属性,就会用这个属性的值来对类变量进行初始化
attribute_length => 0x00000002
constantvalue 的该值固定为 2,因为后面需要 u2 类型的数据来指向常量池,表示该 constantvalue 的值
constantvalue_index => 0x0002,索引对应常量池第2个常量,值为 “Hello World!”Constant pool #2 = String #21 #21 = Utf8 Hello World!
实际上,用代码进行比较的话,上面字段对应 Java 源码为
private final String text = "Hello World!";
在编译成 class 文件后,我们可以解析到这样的结果
flags: ACC_PRIVATE ACC_FINALname: textdescriptor: Ljava/lang/String;attributes: constantvalue:HelloWorld!
在 Java 中用 static 和 final 修饰的字段,即该类的常量字段。在 Java 编译阶段的常量传播优化中,如果 B 只引用了 A 的常量,编译后 A 的常量会被转化为 B 的常量,存入 B 类的常量池里。所以,常量传播优化后,使用者 B 就会拥有 A 的常量,对 A 常量的引用在 Class 文件中成为对自己的常量的引用
2.6.3 表
字段表(field_info):
字段访问标志(access_flag):
描述符(descriptor):
数组每一维度用 “[” 来描述
比如
int[]
=>[I
string[][]
=>[[java/lang/String;
void inc
=>()V
String toString
=>()Ljava/lang/String;
int indexof(char[] a, int b, char[] c, int d)
=>([CI[CI)I
类的字段和方法都由两部分来表示,即名称和描述符(NameAndType)
2.7 方法表集合
2.7.1 概述
特点:
- 方法中的代码,被编译成字节码后,放在了 “Code” 属性中
- 如果父类的方法没有被子类重写,不会出现父类方法的信息
- 会出现编译器添加的方法,比如类构造器“
<clinit>
”和实例构造器“<init>
” - Java 文件中同一个类中的方法的特征签名不能一致;Class 文件特征签名可以一致,但返回值要不同
特征签名 => 一个方法中各个参数在常量池中的字段符号的引用集合,不包含返回值
2.7.2 数据分析
methods_count => 0x0002
表示该类有两个方法methods
分别有两个方法,都是 method_info 的结构。methods_count 紧接着就是第一个方法表
现在只分析第一个方法表
access_flag => 0x0001
方法为 Public 方法
name_index => 0x0009
方法名称为常量表第9个常量,是 Utf8 类型,为 “”,所以这个方法是类的初始化方法Constant pool #9 = Utf8 <init>
descriptor_index => 0x000A
方法描述符为常量表第10个常量,也是 Utf8 类型,为 “()V”Constant pool #10 = Utf8 ()V
attribute_count => 0x0001
属性数量为 1。从这个可知,该方法有一个属性。
基本上所有方法都至少有一个属性 “Code” 用来记录方法中编译后的字节码指令。也可以说,方法中的代码编译成字节码指令后都被存入了 “Code” 属性中了
attribute_name_index => 0x000B
常量表第11个常量,也是 Utf8 类型,就是 “Code” 属性Constant pool #11 = Utf8 Code
attribute_length => 0x0000003D
表示接下来的 29 个字节就是 “Code” 属性表的内容了,关于这个属性表的解析在后面
使用 javap 可以得出详细的解析结果如下:
2.7.3 表
方法表(method_info):
方法访问标志(access_flag):
2.8 属性表集合
2.8.1 概述
上面已经有用到两种属性,字段用到 constantvalue 用来表示是一个常量,方法用到了 code 来记录方法的字节码指令集合
特点:
- 属性不要求严格按顺序排列,只要不重名
- 属性值的结构可完全自定义,但虚拟机只取自己认识的
2.8.2 基本结构
每个属性的名称都要从常量池中拿一个 Utf8 类型的常量。属性的内容为 attribute_length 个 info 组成,每个 info 由一个字节组成。所以属性的组成是很灵活的,如何解释这些 info,有虚拟机的标准,也可以完全自定义。但虚拟机在解析的时候,只取自己标准的那部分
2.8.3 几个主要属性
2.8.3.1 Code 属性
使用在方法表中,用来表示代码编译成的字节码指令
具体的结构为
现在拿类第一个方法表的 Code 属性来进行分析
attribute_name_index 和 attribute_length 上面已经解析过了,为 “Code”,长度为 29。即后面的 29 个字节均为该属性的内容
max_stack => 0x0002
操作数栈的最大深度,方法执行的任意时刻,操作数栈不会超过这个深度,虚拟机用这个值来分配栈帧(Stack Frame)中的操作数栈深度。这里表示该方法的操作数栈最深为 2。如果虚拟机执行的时候,有出现超出了这个深度,会抛出 Stack Overflow 的异常max_locals => 0x0001
局部变量表所需的存储空间。该值的单位为 Slot,长度不超过 32 位的数据类型,比如 byte,int 等用一个 Slot,而 double 和 long 用两个 Slot。这里表示方法局部变量的存储空间为 1 个Slotcode_length => 0x0000000B
方法体内的字节码长度,这里的长度为 27,所以接下来 27 位就是字节码指令了code
方法体的字节码指令,每个指令用一个 u1 表示,即 8 位,一共可以表达 256 条指令,目前虚拟机已经定义 200 多条了。code 指令可以分成以下几种类型。其中异常指令只记录显示抛出(throw)的异常,而像 try…catch 的异常则有属性表之异常表来处理- 加载和存储
- 运算
- 类型转换
- 对象的创建和访问
- 操作数栈管理
- 控制转移
- 方法调用和返回
- 异常
- 同步指令
attributes_count => 0x00000002
表示后面还有两个属性,对照表可知为 LineNumberTable 和 LocalVariableTable。这两个属性都不是必须的,主要用来描述源码和字节码之间的一些关系
因为该方法比较简单,没有异常等。如果有异常,Code 属性中还会有异常表 Exception table
2.8.3.2 LineNumberTable 属性
用处
- 描述 Java 源码和字节码行号的对应关系
- 可以使用 javac -g:none 或 -g:lines 选项来取消或显示。默认显示
- 用来实现断点调试(如果没有的话无法断点)
LineNumberTable 具体的结构为
line_number_info 由 start_pc 和 line_number 组成,分别表示字节码行号和源码行号
现在拿上面的方法的 LineNumberTable 属性数据来进行分析
attribute_name_index => 0x000C
属性名称,指向常量池第 12 个常量,可以得知就是 “LineNumberTable”Constant pool #12 = Utf8 LineNumberTable
attribute_length => 0x0000000E
属性的长度为 15,所以接下来 15 个字节都是 LineNumberTable 属性的值line_number_table_length => 0x0003
表示接下来有 3 个的 line_number_info 类型,用来表示字节码和源码的对应关系。有可能多个字节指令才会对应一条源码line_number_table
现在就分析第一个 line_number_info 的信息
start_pc => 0x0000,字节码第0行
PC 的全称为 Program Counter,即程序计数,对应程序计数器的值,表示在字节码指令中的偏移量。因为要保证线程切换后能回到正确的位置,所以每个线程都会有一个程序计数器
line_number => 0x000B,源码第11行
结合 start_pc 可知,所以0:aload_0
指令对应的源码为public HelloWorld() {
使用 javap 解析到方法 “” 的完整 LineNumberTable 表如下
有了这些class文件中有了这些信息,我们就可以进行断点调试了。所以断点调试是依赖于方法表中是否有设置 LineNumberTable 属性
2.8.3.3 LocalVariableTable 属性
用处
- 描述栈帧局部变量表中的变量和 Java 源码中对应的变量之间的关系
- 可使用 -g:none 或 -g:vars 来取消或者生产这项信息
- 没有该属性,当其他人引用这个方法,所有的参数名称丢失,IDE 会使用 arg0、arg1 等占位符代替
LocalVariableTable 具体的结构为
local_variable_info 的结构为
用第一个方法表的 code 属性的 LocalVariableTable 属性数据来分析
attribute_name_index => 0x000D
指向常量池第 13 个常量,可以得知就是 “LocalVariableTable”attribute_length => 0x0000000C
属性的长度为 12,所以接下来 12 个字节都是 LocalVariableTable 属性的值local_variable_table_length => 0x0001
表示接下来有一个 local_variable_info 用来表示栈帧内局部变量表和源码的关系local_varibale_info
start_pc => 0x0000
该局部变量的生命周期开始的字节码偏移量
length => 0x000B
该局部变量的生命周期作用范围的长度
所以该局部变量作用在 0 -> 11 条字节码之间,可知为整个方法的字节码指令集范围内
name_index => 0x000E
指向常量池第 14 个常量,为 “this”,所以这个局部变量是 this 指针,指向使用该方法的当前实例
descriptor_index => 0x000F
指向常量池第 15 个常量,为 “Ljvm/HelloWorld
”,所以这个 this 指针代表的就是类 HelloWorld 的实例
index => 0x0000
表示该局部变量在栈帧局部变量表中 Slot 的位置,可知为第一个 Slot
2.8.3.4 ConstantValue 属性
该属性在 2.6.2 对字段 “text” 的解析中已经提到,具体的作用是通知虚拟机初始化静态变量
目前类变量的初始化有两种方式
- 使用 ConstantValue 属性
基本类型或者 java.lang.String,同时被 static 和 final 修饰的变量(又称为常量) - 在类构造函数
<clinit>
中
不是常量,或者不是基本类型或 java.lang.String
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