Java字节码 小结

Reference

• javap 基本用法
• 深入理解java字节码
• 从Java代码到字节码
• Java字节码.class文件案例分析

字节码 核心概念

Class文件是8位字节流，按字节对齐。之所以称为字节码，是因为每条指令都只占据一个字节，所有的操作码和操作数都是按字节对齐的。

数据结构

Java虚拟机规范中规定，Class文件格式采用一种类似C语言结构体的伪结构来存储，它只有两种数据类型

无符号数（基本数据类型）

主要用于描述数字、索引引用、数量值、或UTF-8编码构成的字符串；
u1 – 1个字节
u2 – 2个字节
u4 – 4个字节
u8 – 8个字节

表（复合数据类型）

用于描述有层次关系的复合结构的数据；
习惯性以“_info”结尾

Class文件格式

数据类型	名称	数量
u4	magic	1
u2	minor_version	1
u2	major_version	1
u2	constant_pool_count	1
cp_info	constant_pool	constant_pool_count + 1
u2	access_flags	1
u2	this_class	1
u2	super_class	1
u2	interfaces_count	1
u2	interfaces	interfaces_count
u2	fields_count	1
field_info	fields	fields_count
u2	methods_count	1
method_info	methods	methods_count
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

class说明

• magic： Class文件的头4个字节，它的唯一作用是用于确认该文件是否是能被JVM接受的Class文件
• minor_version ：第5和第6字节是次版本号
• major_version:第7和第8字节是主版本号

• constant_pool_count: 常量池大小

• cp_info : 复合数据结构，是一组常量数据结构，有11种常量数据结构
  

• access_flags :访问标志,access_flags的计算公式为：access_flags = flagA | flagB | flagB …

• field_info :字段表（field_info）用于描述类或接口中声明的变量，它包含类变量、实例变量，但不包括方法内的局部变量和块变量。和cp_info部分不一样，cp_info因为常量类型的不一样其数据结构有11种，但field_info的结构只有一种。（数据结构如下）
  
  字段访问标志，和类的访问标志，因为修饰符不同稍有不同，具体见下图。
  

• method_info：方法表集合（method_info）和字段表集合的结构是一致的，只是访问标志不同。
  

• attribute_info：用于在Class文件、字段表、方法表中携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景的专有信息。
  
  Java程序方法体里面的代码经过javac编译器处理过后将最终字节码存储在Code属性内。抽象类或接口中的方法不存在Code属性。
  

• SourceFile：SourceFile属性主要记录生成这个Class文件的源代码名称，也属于可选属性，可以使用javac的-g:none或-g:source选项来关闭或要求生成这些信息。

• LocalVariableTable：LocalVariableTable属性用于描述栈帧中局部变量表中的变量与Java源代码定义的变量之间的关系，但是这种关系并非运行时必须，默认也不会生成到Class文件中，可以通过javac中使用-g:none或-g:vars选项取消或者生成这项信息。

• LineNumberTable：LineNumberTable属性用于描述Java源代码行号和字节码行号（字节码的偏移量）之间的对应关系，它不是运行时必须属性，但默认会生成到Class文件中。也可以在javac中使用-g:none或-g:lines选项来取消或显示生成这一部分信息。

详细参见 Java字节码.class文件案例分析

jvm运行浅谈

Java虚拟机（JVM）是基于栈结构的。对于最初的main方法产生的所有的方法调用，都会在栈中产生一个帧，这些帧各自包含一组局部变量，这组局部变量就是这个方法在执行过程中所需的所有变量，包括一个指向this的引用、该方法的所有参数以及其他局部定义的变量。对于类方法（即static方法），其参数列表从0开始算起，而对于实例方法，位置0是用来存储this引用。
class运行就是jvm顺序执行一条条保存在Code中的指令，如下所示：

动态过程，如下：

public class Demo {
    public static void foo() {
       int a = 1;
       int b = 2;
       int c = (a + b) * 5;
    }
}

详细参见
- 深入理解java字节码
- 从Java代码到字节码

javap 反汇编

javap是JDK自带的反汇编器，可以查看java编译器为我们生成的字节码。通过它，我们可以对照源代码和字节码，从而了解很多编译器内部的工作。
语法：
　　javap [ 命令选项 ] class…
　　javap 命令用于解析类文件。其输出取决于所用的选项。若没有使用选项，javap 将输出传递给它的类的 public 域及方法。javap 将其输出到标准输出设备上。
命令选项
　　-help 输出 javap 的帮助信息。
　　-l 输出行及局部变量表。
　　-public 只显示 public 类及成员。
　　-protected 只显示 protected 和 public 类及成员。
　　-package 只显示包、protected 和 public 类及成员。这是缺省设置。
　　-private 显示所有类和成员。
　　-s 输出内部类型签名。
　　-c 输出类中各方法的未解析的代码，即构成 Java 字节码的指令。
　　-verbose 输出堆栈大小、各方法的 locals 及 args 数,以及class文件的编译版本
　　-classpath[路径] 指定 javap 用来查找类的路径。如果设置了该选项，则它将覆盖缺省值或 CLASSPATH 环境变量。目录用冒号分隔。
　 -bootclasspath[路径] 指定加载自举类所用的路径。缺省情况下，自举类是实现核心 Java 平台的类，位于 jrelib下面。
　　-extdirs[dirs] 覆盖搜索安装方式扩展的位置。扩展的缺省位置是 jrelibext。