[last updated:2014/11/27]
我的上一篇文章《Java虚拟机原理图解》 1、class文件基本组织结构中已经提到了class的文件结构,在class文件中的魔数、副版本号、主版本之后,紧接着就是常量池的数据区域了,如下图用红线包括的位置:
知道了常量池的位置后,然后让我们来揭秘常量池里究竟有什么东西吧~
常量池的组织很简单,前端的两个字节占有的位置叫做常量池计数器(constant_pool_count),它记录着常量池的组成元素 常量池项(cp_info) 的个数。紧接着会排列着constant_pool_count-1个常量池项(cp_info)。如下图所示:
每个常量池项(cp_info) 都会对应记录着class文件中的某中类型的字面量。让我们先来了解一下常量池项(cp_info)的结构吧:
JVM虚拟机规定了不同的tag值和不同类型的字面量对应关系如下:
所以根据cp_info中的tag 不同的值,可以将cp_info 更细化为以下结构体:
CONSTANT_Utf8_info,CONSTANT_Integer_info,CONSTANT_Float_info,CONSTANT_Long_info,
CONSTANT_Double_info,CONSTANT_Class_info,CONSTANT_String_info,CONSTANT_Fieldref_info,
CONSTANT_Methodref_info,CONSTANT_InterfaceMethodref_info,CONSTANT_NameAndType_info,CONSTANT_MethodHandle_info,
CONSTANT_MethodType_info,CONSTANT_InvokeDynamic_info。
现在让我们看一下细化了的常量池的结构会是类似下图所示的样子:
Java语言规范规定了 int类型和Float 类型的数据类型占用 4 个字节的空间。那么存在于class字节码文件中的该类型的常量是如何存储的呢?相应地,在常量池中,将 int和Float类型的常量分别使用CONSTANT_Integer_info和 Constant_float_info表示,他们的结构如下所示:
举例:建下面的类 IntAndFloatTest.java,在这个类中,我们声明了五个变量,但是取值就两种int类型的10 和Float类型的11f。
package com.louis.jvm; public class IntAndFloatTest { private final int a = 10; private final int b = 10; private float c = 11f; private float d = 11f; private float e = 11f; }
然后用编译器编译成IntAndFloatTest.class字节码文件,我们通过javap -v IntAndFloatTest 指令来看一下其常量池中的信息,可以看到虽然我们在代码中写了两次10 和三次11f,但是常量池中,就只有一个常量10 和一个常量11f,如下图所示:
从结果上可以看到常量池第#8 个常量池项(cp_info) 就是CONSTANT_Integer_info,值为10;第#23个常量池项(cp_info) 就是CONSTANT_Float_info,值为11f。(常量池中其他的东西先别纠结啦,我们会面会一一讲解的哦)。
代码中所有用到 int 类型 10 的地方,会使用指向常量池的指针值#8 定位到第#8 个常量池项(cp_info),即值为 10的结构体 CONSTANT_Integer_info,而用到float类型的11f时,也会指向常量池的指针值#23来定位到第#23个常量池项(cp_info) 即值为11f的结构体CONSTANT_Float_info。如下图所示:
Java语言规范规定了 long 类型和 double类型的数据类型占用8 个字节的空间。那么存在于class 字节码文件中的该类型的常量是如何存储的呢?相应地,在常量池中,将long和double类型的常量分别使用CONSTANT_Long_info和Constant_Double_info表示,他们的结构如下所示:
举例:建下面的类 LongAndDoubleTest.java,在这个类中,我们声明了六个变量,但是取值就两种Long 类型的-6076574518398440533L 和Double 类型的10.1234567890D。
package com.louis.jvm; public class LongAndDoubleTest { private long a = -6076574518398440533L; private long b = -6076574518398440533L; private long c = -6076574518398440533L; private double d = 10.1234567890D; private double e = 10.1234567890D; private double f = 10.1234567890D; }
然后用编译器编译成 LongAndDoubleTest.class 字节码文件,我们通过javap -v LongAndDoubleTest指令来看一下其常量池中的信息,可以看到虽然我们在代码中写了三次-6076574518398440533L 和三次10.1234567890D,但是常量池中,就只有一个常量-6076574518398440533L 和一个常量10.1234567890D,如下图所示:
从结果上可以看到常量池第 #18 个常量池项(cp_info) 就是CONSTANT_Long_info,值为-6076574518398440533L ;第 #26个常量池项(cp_info) 就是CONSTANT_Double_info,值为10.1234567890D。(常量池中其他的东西先别纠结啦,我们会面会一一讲解的哦)。
代码中所有用到 long 类型-6076574518398440533L 的地方,会使用指向常量池的指针值#18 定位到第 #18 个常量池项(cp_info),即值为-6076574518398440533L 的结构体CONSTANT_Long_info,而用到double类型的10.1234567890D时,也会指向常量池的指针值#26 来定位到第 #26 个常量池项(cp_info) 即值为10.1234567890D的结构体CONSTANT_Double_info。如下图所示:
对于字符串而言,JVM会将字符串类型的字面量以UTF-8 编码格式存储到在class字节码文件中。这么说可能有点摸不着北,我们先从直观的Java源码中中出现的用双引号"" 括起来的字符串来看,在编译器编译的时候,都会将这些字符串转换成CONSTANT_String_info结构体,然后放置于常量池中。其结构如下所示:
如上图所示的结构体,CONSTANT_String_info结构体中的string_index的值指向了CONSTANT_Utf8_info结构体,而字符串的utf-8编码数据就在这个结构体之中。如下图所示:
请看一例,定义一个简单的StringTest.java类,然后在这个类里加一个"JVM原理" 字符串,然后,我们来看看它在class文件中是怎样组织的。
package com.louis.jvm; public class StringTest { private String s1 = "JVM原理"; private String s2 = "JVM原理"; private String s3 = "JVM原理"; private String s4 = "JVM原理"; }
将Java源码编译成StringTest.class文件后,在此文件的目录下执行 javap -v StringTest 命令,会看到如下的常量池信息的轮廓:
(PS :使用javap -v 指令能看到易于我们阅读的信息,查看真正的字节码文件可以使用HEXWin、NOTEPAD++、UtraEdit 等工具。)
在面的图中,我们可以看到CONSTANT_String_info结构体位于常量池的第#15个索引位置。而存放"Java虚拟机原理" 字符串的 UTF-8编码格式的字节数组被放到CONSTANT_Utf8_info结构体中,该结构体位于常量池的第#16个索引位置。上面的图只是看了个轮廓,让我们再深入地看一下它们的组织吧。请看下图:
由上图可见:“JVM原理”的UTF-8编码的数组是:4A564D E5 8E 9FE7 90 86,并且存入了CONSTANT_Utf8_info结构体中。
JVM会将某个Java 类中所有使用到了的类的完全限定名 以二进制形式的完全限定名 封装成CONSTANT_Class_info结构体中,然后将其放置到常量池里。CONSTANT_Class_info 的tag值为 7 。其结构如下:
Tips:类的完全限定名和二进制形式的完全限定名在某个Java源码中,我们会使用很多个类,比如我们定义了一个 ClassTest的类,并把它放到com.louis.jvm 包下,则 ClassTest类的完全限定名为com.louis.jvm.ClassTest,将JVM编译器将类编译成class文件后,此完全限定名在class文件中,是以二进制形式的完全限定名存储的,即它会把完全限定符的"."换成"/" ,即在class文件中存储的 ClassTest类的完全限定名称是"com/louis/jvm/ClassTest"。因为这种形式的完全限定名是放在了class二进制形式的字节码文件中,所以就称之为 二进制形式的完全限定名。
举例,我们定义一个很简单的ClassTest类,来看一下常量池是怎么对类的完全限定名进行存储的。
package com.jvm; import java.util.Date; public class ClassTest { private Date date =new Date(); }
将Java源码编译成ClassTest.class文件后,在此文件的目录下执行 javap -v ClassTest 命令,会看到如下的常量池信息的轮廓:
如上图所示,在ClassTest.class文件的常量池中,共有 3 个CONSTANT_Class_info结构体,分别表示ClassTest 中用到的Class信息。 我们就看其中一个表示com/jvm.ClassTest的CONSTANT_Class_info 结构体。它在常量池中的位置是#1,它的name_index值为#2,它指向了常量池的第2 个常量池项,如下所示:
注意:
对于某个类而言,其class文件中至少要有两个CONSTANT_Class_info常量池项,用来表示自己的类信息和其父类信息。(除了java.lang.Object类除外,其他的任何类都会默认继承自java.lang.Object)如果类声明实现了某些接口,那么接口的信息也会生成对应的CONSTANT_Class_info常量池项。
除此之外,如果在类中使用到了其他的类,只有真正使用到了相应的类,JDK编译器才会将类的信息组成CONSTANT_Class_info常量池项放置到常量池中。如下图:
上述的Other的类,在JDK将其编译成class文件时,常量池中并没有java.util.Date对应的CONSTANT_Class_info常量池项,为什么呢?package com.louis.jvm; import java.util.Date; public class Other{ private Date date; public Other() { Date da; } }
在Other类中虽然定义了Date类型的两个变量date、da,但是JDK编译的时候,认为你只是声明了“Ljava/util/Date”类型的变量,并没有实际使用到Ljava/util/Date类。将类信息放置到常量池中的目的,是为了在后续的代码中有可能会反复用到它。很显然,JDK在编译Other类的时候,会解析到Date类有没有用到,发现该类在代码中就没有用到过,所以就认为没有必要将它的信息放置到常量池中了。
将上述的Other类改写一下,仅使用new Date(),如下图所示:
package com.louis.jvm; import java.util.Date; public class Other{ public Other() { new Date(); } }
这时候使用javap -v Other ,可以查看到常量池中有表示java/util/Date的常量池项:
总结:
1.对于某个类或接口而言,其自身、父类和继承或实现的接口的信息会被直接组装成CONSTANT_Class_info常量池项放置到常量池中;
2. 类中或接口中使用到了其他的类,只有在类中实际使用到了该类时,该类的信息才会在常量池中有对应的CONSTANT_Class_info常量池项;
3. 类中或接口中仅仅定义某种类型的变量,JDK只会将变量的类型描述信息以UTF-8字符串组成CONSTANT_Utf8_info常量池项放置到常量池中,上面在类中的private Date date;JDK编译器只会将表示date的数据类型的“Ljava/util/Date”字符串放置到常量池中。
作者的话
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