JVM基础:字节码文件详解①

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文章目录

  • 一、Java虚拟机的组成
  • 二、字节码文件的组成
    • 2.1 为什么要了解字节码文件?
    • 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
      • 2.2.2 字节码文件是由哪几部分组成?
      • 2.2.3 基础信息(一般信息)
      • 2.2.4 常量池
      • 2.2.5 方法
  • 参考目录


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)JVM基础:字节码文件详解①_第1张图片

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

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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】

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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

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②选中指定的Java源文件,按照以下步骤操作,即可
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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

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    1. 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
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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

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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

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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

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  • 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

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  • 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

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  • 接口当前类实现的接口信息

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  • 字段当前类或接口声明的字段信息

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  • 方法当前类或接口声明的方法信息——字节码指令

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  • 属性类的属性,比如源码的文件名,内部类的列表等

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2.2.3 基础信息(一般信息)

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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

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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

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b.打开MyApplication.class字节码,如下图所示

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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

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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。

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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

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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

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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

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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

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选中Code属性,我们可以看到它下面还有两个Table

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  • 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。

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  • 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。

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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

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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

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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

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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);
}

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分析流程如下所示

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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”

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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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