JVM工作原理与实战(三)：字节码文件的组成

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前言

一、基础信息

1.Magic魔数

2.主副版本号

3.其他信息

二、常量池

1.案例解析

三、方法

1.方法介绍

2.案例解析

四、字段

五、属性

总结

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前言

JVM作为Java程序的运行环境，其负责解释和执行字节码，管理内存，确保安全，支持多线程和提供性能监控工具，以及确保程序的跨平台运行。本文主要介绍了字节码文件的基础信息、常量池、方法、字段、属性等内容。

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一、基础信息

字节码文件的基础信息包括魔数、字节码文件对应的Java版本号、访问标识(public final等等)、父类和接口内容。

1.Magic魔数

文件是无法通过文件扩展名来确定文件类型的，文件扩展名可以随意修改，不影响文件的内容。软件使用文件的头几个字节（文件头）去校验文件的类型，如果软件不支持该种类型就会出错。在Java字节码文件中，将文件头称为magic魔数。

文件类型	字节数	文件头
JPEG (jpg)	3	FFD8FF
PNG (png)	4	89504E47（文件尾也有要求）
bmp	2	424D
XML (xml)	5	3C3F786D6C
AVI (avi)	4	41564920
Java字节码文件 (.class)	4	CAFEBABE

通过NotePad++使用十六进制插件查看class文件：

2.主副版本号

版本号用于标识字节码文件的版本。它包括主版本号和副版本号。主版本号表示编译字节码文件的JDK版本，而副版本号则用于标识不同版本的字节码文件。通过比较字节码文件的主版本号和运行时的JDK版本，可以判断两者是否兼容。

JDK1.0-1.1使用了 45.0-45.3，JDK1.2是46之后每升级一个大版本就加1。1.2之后大版本号计算方法为主版本号 - 44，比如主版本号52就是JDK8。

3.其他信息

访问标识：在Java字节码文件中用于描述类的访问权限和特性。它包括public、private、protected和默认（无标识）等访问级别，以及final、abstract、interface等修饰符。这些标识确定了类的可见性和行为特性，影响着类的使用和继承。

类、父类、接口索引：在字节码文件中，父类和接口的内容通过索引值来表示。这些索引值指向类或接口在常量池中的位置，以便在运行时能够找到它们的相关信息。通过这些索引值，JVM可以在运行时加载并链接所需的类和接口，从而正确执行程序。

二、常量池

常量池是字节码文件中的一个重要组成部分，主要用于存储程序中的常量值，如字符串常量、类或接口名、字段名等。常量池的主要作用是避免相同的内容在字节码文件中重复定义，从而节省空间。

在字节码指令中，可以通过常量池中的编号引用相应的常量值。每个常量在常量池中都有一个唯一的编号，编号从1开始。通过这些编号，字节码指令可以快速地定位到常量池中的数据，从而实现高效的数据访问。在字节码指令中引用常量池的过程称为符号引用。通过符号引用来替代实际的数据值，可以在运行时动态地解析和加载相应的数据，提高程序的灵活性和可维护性。

1.案例解析

案例一：

案例代码：

public class ConstantPoolTest {
    public static final String a1 = "This is a test";
    public static final String a2 = "This is a test";
    public static void main(String[] args) {
        ConstantPoolTest constantPoolTest = new ConstantPoolTest();
    }
}

查看字段常量值索引（a1和a2），指向cp_info #8：

进入常量池cp info #8，看到字符串文本内容在cp_info #27：

?进入常量池cp_info #27，可以看到字符串文本内容：

在上面的示例中，字符串常量"This is a test"在常量池中只存储一次。在字节码指令中，可以通过常量池中的编号来引用这两个常量。因此，常量池避免了相同内容的重复定义，节省了存储空间。

案例二：

案例代码：

public class ConstantPoolTest2 {
    public static final String a1 = "abc";
    public static final String a2 = "abc";
    public static final String abc = "abc";
    public static void main(String[] args) {
        ConstantPoolTest2 constantPoolTest = new ConstantPoolTest2();
    }
}

查看字段常量值索引，指向cp_info #8：

?进入常量池cp info #8，看到字符串文本内容在cp_info #10：

?进入常量池cp_info #10，可以看到字符串文本内容：

查看字段abc名称所在常量池，指向cp_info #10：

三、方法

1.方法介绍

在JVM字节码文件中，方法部分是核心，它包含了程序执行的具体指令。这些指令是以字节码的形式存在的，是Java源代码的编译结果。

• 字节码指令：字节码中的方法区域是存放字节码指令的核心位置，字节码指令的内容存放在方法的Code属性中。
• 操作数栈：操作数栈在字节码指令执行中起到关键的作用。它是一个后进先出（LIFO）的数据结构，用于临时存储数据。几乎所有的字节码指令都会用到操作数栈，无论是从栈顶弹出数据，还是将数据压入栈中。
• 局部变量表：局部变量表是存放方法中定义的局部变量的位置。每个方法在JVM中都有一个关联的局部变量表，这个表定义了方法的参数和在方法体内部声明的局部变量。局部变量表中的每个条目都包含一个变量的名称、类型和其在方法中的偏移量。这个偏移量表示该变量在方法栈帧中的位置。
• 局部变量表数组：局部变量表数组是存放这些局部变量表的数组。每一个方法对应一个局部变量表，该表记录了该方法的所有局部变量的信息，包括它们的名称、类型和偏移量等。这些信息对于JVM在运行时解析字节码和执行相应的操作非常重要。

右键查看JVM规范：

?JVM规范：

2.案例解析

案例一:

案例代码：

public class Demo1 {
    public static void main(String[] args) {
        int i=0;
        i = i++;
    }
}

?查看方法的字节码信息：

?字节码信息解析：

iconst_0	将0放入操作数栈
istore_1	从操作数栈取出放入局部变量表1号位置
iload_1	从局部变量表1号位置加载数据到操作数栈
iinc 1 by 1	在局部变量表1号位置增加1
istore_1	将操作数栈中的值保存到局部变量表
return	方法结束，返回

案例二：

案例代码：

public class Demo2 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        int j = i + 1;
    }
}

?查看方法的字节码信息：

??字节码信息解析：

iconst_0	将常量0放入操作数栈
istore_1	从操作数栈取出放入局部变量表1号位置
iload_1	将局部变量表1中的数据放入操作数栈
iconst_1	将常量1放入操作数栈
iadd	将操作数栈顶部的两个数据进行累加,结果放入栈中
istore_2	从操作数栈取出放入局部变量表2号位置
return	方法结束，返回

四、字段

在JVM字节码文件中，字段部分包含了当前类或接口声明的字段信息。这些字段包括类的成员变量、静态变量、常量等。字段信息在类的字节码文件中被组织为一个字段表，每个字段在表中都有一个唯一的字段表条目。

五、属性

在JVM字节码文件中，属性部分包含了描述类或接口的各种元数据信息。这些属性提供了关于类或接口的附加信息，用于支持某些JVM特性和工具。

常见的属性：

• 源码的文件名：这个属性提供了类的源文件名，可以帮助调试和错误跟踪。它允许开发人员在运行时与源代码对应，这对于理解和调试代码非常有用。
• 内部类的列表：如果一个类包含内部类或嵌套类，那么这个属性将列出所有的内部类和嵌套类。这对于解析和执行嵌套类非常关键。
• 注解：注解是一种提供元数据的方法，可以用于标记代码中的特定元素。在字节码文件中，注解被表示为属性，提供了关于类、方法、字段等的额外信息。
• 签名：这个属性提供了关于类、方法或字段的签名信息，包括它们的名称和类型。这对于验证类型和调用方法非常重要。
• 其他属性：还有其他一些属性，如行号表、本地变量表等，这些属性用于支持调试和其他高级功能。

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总结

JVM是Java程序的运行环境，负责字节码解释、内存管理、安全保障、多线程支持、性能监控和跨平台运行。本文主要介绍了字节码文件的基础信息、常量池、方法、字段、属性等内容，希望对大家有所帮助。