scala编译的class字节码实现

我们知道， Scala也是一种运行于Java虚拟机上的语言， 既然能够运行于虚拟机之上， 那么它必然可以编译成class文件， 因为虚拟机只认class文件。 所以， scalac编译器将.scala源文件， 编译成class文件， 然后这些class文件被虚拟机加载并执行。

所以， 如果你对class文件格式和java虚拟机足够了解的话， 那么学习scala语言就会相对简单。Java文件编译成class文件， 而Scala源文件也是编译成class文件， 虽然他们语法大相径庭， 但是最后殊途同归。  如果我们能基于class文件分析scala的行为， 有助于理解scala语言。有人说scala的语法很多很难， 其实语法终归是写法， class文件的格式是不变的， 可以把scala的语法看成java语法的高级语法糖。

本系列博客基于分析class文件， 来分析scala的语法。 如果你对class文件格式不熟悉， 建议读一下我的专栏， 该专栏是专门分析class文件和JVM行为的。 专栏地址：

http://blog.csdn.net/column/details/zhangjg-java-blog.html

Scala的HelloWorld

按照IT界的传统， 下面我们就从HelloWorld开始分析。 下面是scala版的HelloWorld源码：

 object HelloWorld{
     def main(args : Array[String]){
         println("HelloWorld")
     }
 }

如果对scala的语法不是很熟悉， 并且对scala比较感兴趣， 建议先熟悉一下scala的基本语法。 这里简单说两以下几点：

1   以object关键字修饰一个类名， 这种语法叫做孤立对象，这个对象是单例的。 相当于将单例类和单例对象同时定义。

2   方法声明以def开头， 然后是方法名， 参数列表， 返回值， 等号， 方法体 。如下：

 def doSomeThing(x : Int) : Int = {
     x += 1
 }

 如果没有返回值， 可以省略等号， 直接写方法体。

3 Array[String]是scala的一种数据类型， 可以理解为字符串数组。

这篇博客的目的不是详细的讲解语法， 而是基于class文件来分析scala语法的实现方式， 所以对于语法只简单提一下 。 

反编译scala HelloWorld

我们所说的反编译， 是指使用javap工具反编译class文件， 所以， 在反编译之前， 要先使用scalac编译器编译该源文件：

 scalac HelloWorld.scala

命令执行完成后， 可以看到HelloWorld.scala所在的目录中多出两个class文件：

其中有一个是和HelloWorld.scala对应的HelloWorld.class 。 那么HelloWorld$.class是什么呢？难道一个scala类可以生成多个class吗? 下面通过反编译来找到答案。

首先反编译HelloWorld.class ： 

 javap -c -v -classpath . HelloWorld

反编译结果如下： （为了便于讲述， 给出了所有的输出， 会有些长）

 Classfile /D:/Workspace/scala/scala-test/HelloWorld/HelloWorld.class
   Last modified 2014-4-1; size 586 bytes
   MD5 checksum 2ce2089f345445003ec6b4ef4ed4c6d1
   Compiled from "HelloWorld.scala"
 public final class HelloWorld
   SourceFile: "HelloWorld.scala"
   RuntimeVisibleAnnotations:
     0: #6(#7=s#8)
     ScalaSig: length = 0x3
      05 00 00
   minor version: 0
   major version: 50
   flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER
 Constant pool:
    #1 = Utf8               HelloWorld
    #2 = Class              #1             //  HelloWorld
    #3 = Utf8               java/lang/Object
    #4 = Class              #3             //  java/lang/Object
    #5 = Utf8               HelloWorld.scala
    #6 = Utf8               Lscala/reflect/ScalaSignature;
    #7 = Utf8               bytes
    #8 = Utf8               
:Q!
\t\t!S3mY><vN7ea ...
    #9 = Utf8               main
   #10 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
   #11 = Utf8               HelloWorld$
   #12 = Class              #11            //  HelloWorld$
   #13 = Utf8               MODULE$
   #14 = Utf8               LHelloWorld$;
   #15 = NameAndType        #13:#14        //  MODULE$:LHelloWorld$;
   #16 = Fieldref           #12.#15        //  HelloWorld$.MODULE$:LHelloWorld$;
   #17 = NameAndType        #9:#10         //  main:([Ljava/lang/String;)V
   #18 = Methodref          #12.#17        //  HelloWorld$.main:([Ljava/lang/String;)V
   #19 = Utf8               Code
   #20 = Utf8               SourceFile
   #21 = Utf8               RuntimeVisibleAnnotations
   #22 = Utf8               ScalaSig
 {
   public static void main(java.lang.String[]);
     flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
     Code:
       stack=2, locals=1, args_size=1
          0: getstatic     #16                 // Field HelloWorld$.MODULE$:LHelloWorld$;
          3: aload_0
          4: invokevirtual #18                 // Method HelloWorld$.main:([Ljava/lang/String;)V
          7: return
 }

从输出结果可以看到， 这个类确实有传统意义上的main方法。 这个main方法中的字节码指令大概是这样：

1 getstatic访问一个静态字段， 这个静态字段是定义在HelloWorld$类中的MODULE$字段， 这个字段的类型是HelloWorld$ 。 讲到这里， 大概出现了单例的影子。 我们并没有定义这个类， 所以这个类是scala编译器自动生成的， 用来辅佐HelloWorld类。

2 然后使用这个静态对象调用main方法， 这个main方法是HelloWorld$类中的， 而不是当前HelloWorld中的。 它不是静态的， 而是成员方法。 

下面反编译HelloWorld$类： 

 javap -c -v -classpath . HelloWorld$

反编译结果如下：

 Classfile /D:/Workspace/scala/scala-test/HelloWorld/HelloWorld$.class
   Last modified 2014-4-1; size 596 bytes
   MD5 checksum 7b3e40952539579da28edc84f370ab9b
   Compiled from "HelloWorld.scala"
 public final class HelloWorld$
   SourceFile: "HelloWorld.scala"
     Scala: length = 0x0

   minor version: 0
   major version: 50
   flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER
 Constant pool:
    #1 = Utf8               HelloWorld$
    #2 = Class              #1             //  HelloWorld$
    #3 = Utf8               java/lang/Object
    #4 = Class              #3             //  java/lang/Object
    #5 = Utf8               HelloWorld.scala
    #6 = Utf8               MODULE$
    #7 = Utf8               LHelloWorld$;
    #8 = Utf8               <clinit>
    #9 = Utf8               ()V
   #10 = Utf8               <init>
   #11 = NameAndType        #10:#9         //  "<init>":()V
   #12 = Methodref          #2.#11         //  HelloWorld$."<init>":()V
   #13 = Utf8               main
   #14 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
   #15 = Utf8               scala/Predef$
   #16 = Class              #15            //  scala/Predef$
   #17 = Utf8               Lscala/Predef$;
   #18 = NameAndType        #6:#17         //  MODULE$:Lscala/Predef$;
   #19 = Fieldref           #16.#18        //  scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
   #20 = Utf8               HelloWorld
   #21 = String             #20            //  HelloWorld
   #22 = Utf8               println
   #23 = Utf8               (Ljava/lang/Object;)V
   #24 = NameAndType        #22:#23        //  println:(Ljava/lang/Object;)V
   #25 = Methodref          #16.#24        //  scala/Predef$.println:(Ljava/lang/Object;)V
   #26 = Utf8               this
   #27 = Utf8               args
   #28 = Utf8               [Ljava/lang/String;
   #29 = Methodref          #4.#11         //  java/lang/Object."<init>":()V
   #30 = NameAndType        #6:#7          //  MODULE$:LHelloWorld$;
   #31 = Fieldref           #2.#30         //  HelloWorld$.MODULE$:LHelloWorld$;
   #32 = Utf8               Code
   #33 = Utf8               LocalVariableTable
   #34 = Utf8               LineNumberTable
   #35 = Utf8               SourceFile
   #36 = Utf8               Scala
 {
   public static final HelloWorld$ MODULE$;
     flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL


   public static {};
     flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
     Code:
       stack=1, locals=0, args_size=0
          0: new           #2                  // class HelloWorld$
          3: invokespecial #12                 // Method "<init>":()V
          6: return

   public void main(java.lang.String[]);
     flags: ACC_PUBLIC
     Code:
       stack=2, locals=2, args_size=2
          0: getstatic     #19                 // Field scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
          3: ldc           #21                 // String HelloWorld
          5: invokevirtual #25                 // Method scala/Predef$.println:(Ljava/lang/Object;)V
          8: return
       LocalVariableTable:
         Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       9     0  this   LHelloWorld$;
                0       9     1  args   [Ljava/lang/String;
       LineNumberTable:
         line 5: 0
 }

从输出结果可以知道:

 HelloWorld$类有一个静态字段

 public static final HelloWorld$ MODULE$;
   flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL

它的访问修饰符是 public static final   ， 类型是HelloWorld$ ， 字段名是 MODULE$ 。

 

 HelloWorld$类还有一个静态初始化方法：

 public static {};
     flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
     Code:
       stack=1, locals=0, args_size=0
          0: new           #2                  // class HelloWorld$
          3: invokespecial #12                 // Method "<init>":()V
          6: return

在这个静态初始化方法中， 使用new指令创建了一个HelloWorld$对象， 并且调用该对象的构造方法<init>初始化这个对象。 

实际上就是对静态字段MODULE$ 的赋值。

 HelloWorld$类还有一个main方法：

 public void main(java.lang.String[]);
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: getstatic     #19                 // Field scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
         3: ldc           #21                 // String HelloWorld
         5: invokevirtual #25                 // Method scala/Predef$.println:(Ljava/lang/Object;)V
         8: return
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
               0       9     0  this   LHelloWorld$;
               0       9     1  args   [Ljava/lang/String;
      LineNumberTable:
        line 5: 0

这个main方法不是静态的， 是一个实例方法， 从它的字节码指令可以看出， 实现的是打印字符串HelloWorld的逻辑。

HelloWorld的实现方式总结

从上面的讲述中， 我们可知， scalac编译器使用两个class文件， 实现HelloWorld.scala源文件中的逻辑， 除了生成HelloWorld.class外， 还生产一个HelloWorld$.class 。实现逻辑如下：

1 传统意义上的入口main方法被编译在HelloWorld.class中

2  在HelloWorld.class中的main方法中， 会访问HelloWorld$.class中的静态字段MODULE$  （这个字段的类型就是HelloWorld$） ， 并使用这个字段调用HelloWorld$中的main方法。

HelloWorld中的逻辑有点像下面这样（以下伪代码旨在说明原理， 并不符合java或scala的语法）：

 public class HelloWorld{

     public static void main(String[] args){


       HelloWorld$.MODULE$.main(args);
     }
 }

3 真正打印字符串“HelloWorld”的逻辑在HelloWorld$中。 这个类有一个main实例方法， 来处理打印字符串的逻辑， 并且该类中有一个HelloWorld$类型的静态字段MODULE$ 。 上面的HelloWorld类中的入口main方法， 正是通过这个字段调用的HelloWorld$的main实例方法来打印"HelloWorld" 。

HelloWorld$中的代码有点像这样（以下伪代码旨在说明原理， 并不符合java或scala的语法）：

 public final class HelloWorld${

     public static final HelloWorld$ MODULE$ = new HelloWorld$();

     public void main(String[] args){
         println("HelloWorld");
     }
 }