JVM基础：字节码文件详解①

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、Java虚拟机的组成

它可以分为以下四个部分

1. 类加载器(ClassLoder)：加载class字节码文件中的内容到内存中(加载到内存是为了高效的利用)
2. 运行时数据区域(JVM管理的内存)：负责管理JVM使用到的内存，比如创建对象和销毁对象
3. 执行引擎((即时编译器、解释器与垃圾回收器等)：将字节码文件中的指令解
   释成机器码，同时使用即时编译器优化性能
4. 本地接口：调用本地已经编译的方法，比如虚拟机中提供的c/c++的方法，就是本地方法(即jvm底层已经实现好的，用C/C++语言编写好的方法，使用native修饰的方法)

基本执行流程如下所示：

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二、字节码文件的组成

2.1 为什么要了解字节码文件？

原因

①它可以解决一些面试难题

例如以下面试题

• int i = 0; i = i++; 最终i的值是多少？
• 请你回答一下Java的反射是如何实现的？

②它可以解决工作中的一些实际问题——版本冲突

例如以下报错

2.2 如何“窥探”字节码文件的奥秘？

2.2.1 使用工具打开字节码文件

常用工具

①使用Jclasslib字节码插件【idea插件】

如何使用该插件查看指定字节码文件？

步骤

①在idea中 file – settings – plugins 中搜索 jclass 安装该插件

②选中指定的Java源文件，按照以下步骤操作，即可

注意

使用jclasslib的idea插件版的两个小细节

1. 要打开一个新的字节码文件，就需要选中当前的源代码，然后点击 view - show bytecode with jclasslib 就可以打开新的字节码文件

   

   2. 如果源代码发生变化，需要重新运行编译，可通过 build - Recompile ‘xxx.java’ 或 重新运行该源代码的方式重新编译，然后在jclasslib中重新刷新即可
      

②使用Javap命令

如何使用该命令查看指定字节码文件？

步骤

1. 首先确保已经安装了JDK（Java Development Kit），因为Javap是JDK的一部分。

2. 打开命令提示符（Windows）或终端（macOS/Linux）。

3. 使用cd命令导航到包含字节码文件（.class文件）的目录。例如，如果字节码文件位于C:\Users\YourUsername\Documents\MyProject目录下，请输入cd C:\Users\YourUsername\Documents\MyProject。

4. 输入javap -c YourClassName.class命令，其中YourClassName是你要查看的字节码文件的名称（不包括扩展名）。例如，如果你要查看名为MyClass.class的文件，请输入javap -c MyClass.class。

5. 按回车键执行命令。命令将显示字节码文件的详细信息，包括类名、方法名、参数类型等。

案例：使用Javap命令打开桌面测试文件夹中的字节码文件t1.class

备注

如果jar包需要先使用 jar –xvf 命令解压

③使用Arthas工具打开字节码文件

GitHub地址

2.2.2 字节码文件是由哪几部分组成？

使用jclass插件打开任意一个Java 源文件，我们可以看到如下信息

• 一般信息（基本信息）：魔数、字节码文件对应的Java版本号，访问标识(public final等等)以及父类和接口

  

• 常量池：保存了字符串常量、类或接口名、字段名，主要在字节码指令中使用

  

• 接口：当前类实现的接口信息

  

• 字段：当前类或接口声明的字段信息

  

• 方法：当前类或接口声明的方法信息——字节码指令

  

• 属性：类的属性，比如源码的文件名，内部类的列表等

  

2.2.3 基础信息(一般信息)

前面提到的基本信息中主要包含魔数、字节码文件对应的Java版本号，访问标识(public final等等)以及父类和接口等内容，但是有两个问题值得深思

问题①：何为魔数？

使用notepad++ 随便打开两个字节码文件，我们可以看到他们之间显著的共通之处

a.打开t1.class字节码文件，如下图所示

b.打开MyApplication.class字节码，如下图所示

共通之处

以ca fe ba be打头

这就是魔数(Magic)，用以校验文件类型的文件头，如果别的编译软件不支持该种类型的文件头，则解析文件时会出错。那为什么不使用文件扩展名去校验类型？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。故而在Java字节码文件中，将文件头称为魔数

问题②：何为Java版本号？

Java版本号主要分为主副版本号，主副版本号指的是编译字节码文件的JDK版本号，主版本号用来标识大版本号，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；副版本号是当主版本号相同时作为区分不同版本的标识，一般只需要关心主版本号。

版本号作用

主要判断当前字节码的版本和运行时的JDK是否兼容

备注

1.2之后大版本号计算方法就是：主版本号 – 44 ；
比如主版本号52，那就是JDK8

之前在前文中抛出了一个版本冲突的问题

如下图所示

原因

主版本号不兼容，发生冲突

解决方案

1.升级JDK版本（容易引发其他的兼容性问题，并且需要大量的测试）
2.将第三方依赖的版本号降低或者更换依赖，以满足JDK版本的要求 √ 建议采用

总结

2.2.4 常量池

作用

避免相同的内容重复定义，节省空间

概述

• 常量池中的数据都有一个编号，编号从1开始。在字段或者字节码指令中通过编号可以快速的找到对应的数据
• 字节码指令中通过编号引用到常量池的过程称之为符号引用

符号引用的示意图如下所示

2.2.5 方法

先看一个简单经典的面试题

int i = 0; i = i++; 最终i的值是多少？

我的回答

i =i++ 是先赋值后自增，而i= ++ i 是先自增后赋值，所以最终的i是0

进一步发问

为什么i =i++ 是先赋值后自增，而i= ++ i 是先自增后赋值，如果根据Java的运算符优先级对比，应该是1吧，i++优先级高，先执行之后将返回结果1赋值给 i，所以最终 i应该是1。

❗可正确的答案是 i最终的值是0

why？

莫急，且听我慢慢道来

定义

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

选中Code属性，我们可以看到它下面还有两个Table

• LineNumberTable：用于存储源代码中各行号与字节码指令之间的对应关系，它可以帮助调试器在执行程序时定位到源代码中的具体位置。

  

• LocalVariableTable：主要用于存储方法的参数和方法内定义的局部变量。在程序编译为Class文件时，会在Code属性的max_locals数据项中确定该方法所需要分配的局部变量表的最大容量。

  

我们暂时只关心LocalVariableTable，如下图所示，LocalVariableTable表中的每个项都包含以下内容：

• 名称（Name）：表示该项对应的局部变量的名称
• 描述符（Descriptor）：表示该项对应的局部变量的类型和修饰符
• 索引（Slot）：表示该项在局部变量表中的位置
• 值（Value）：表示该项对应的局部变量的值

除了上面的LocalVariableTable，我们还得了解一个概念——操作数栈

什么是操作数栈？

讯飞星火告诉我们

简单来讲，操作数栈是临时存放数据的地方

再看之前的源代码

 int i=0;
 int j= i+1;

字节码指令分析如下

回到前面提到的面试题

为什么int i = 0; i = i++; 最终i的值是0？

源代码示例如下

public static void main(String[] args) {
        int i=0;
        i=i++;
        System.out.println("i = " + i);
}

分析流程如下所示

举例分析

以 int i=0; i=++i; 的字节码指令展开分析，最后i的值是多少？

示例代码如下

 public static void main(String[] args) {
        int i=0;
        i=++i;
        System.out.println("i = " + i);
 }

字节码指令如下

 0 iconst_0
 1 istore_1
 2 iinc 1 by 1
 5 iload_1
 6 istore_1
 7 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
10 new #3 <java/lang/StringBuilder>
13 dup
14 invokespecial #4 <java/lang/StringBuilder.<init> : ()V>
17 ldc #5 <i = >
19 invokevirtual #6 <java/lang/StringBuilder.append : (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;>
22 iload_1
23 invokevirtual #7 <java/lang/StringBuilder.append : (I)Ljava/lang/StringBuilder;>
26 invokevirtual #8 <java/lang/StringBuilder.toString : ()Ljava/lang/String;>
29 invokevirtual #9 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>
32 return

流程分析如下

①将int类型的 o push 操作数栈中；
②从操作数栈中取出0，放入到局部变量表中位序为1的位置上[i]，此时i=0；
③在局部变量表中为位序为1的位置上增加1，此时i=1；
④从局部变量表中位序为1的位置将数据压入到操作数栈中，此时i=0；
⑤将操作数栈中的数据[1]保存到局部变量表中位序为1的位置上，此时i=1；
…

备注

如果不清楚某一条指令的作用，可采取以下步骤

①选中指令，点击“显示JVM规范”

②浏览器会自动跳转至对应指令的详情页面

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参考目录

https://www.bilibili.com/video/BV1r94y1b7eS?p=7&spm_id_from=pageDriver&vd_source=5a34715e416a427a73a3ca52397848b5

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