长治市网站开发,受欢迎的南昌网站建设,四川重庆是哪个省,织梦播放器网站官方文档位置#xff1a;https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html Class 类的本质 任何一个Class文件都对应着唯一一个类或接口的定义信息#xff0c;但反过来说#xff0c;Class文件实际上它并不一定以磁盘文件的形式存在。Class 文件是一组以8位字… 官方文档位置https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html Class 类的本质 任何一个Class文件都对应着唯一一个类或接口的定义信息但反过来说Class文件实际上它并不一定以磁盘文件的形式存在。Class 文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流。 Class文件格式 Class 的结构不像 XML 等描述语言由于它没有任何分隔符号。所以在其中的数据项无论是字节顺序还是数量都是被严格限定的哪个字节代表什么含义长度是多少先后顺序如何都不允许改变。 Class 文件格式采用一种类似于 C语言结构体的方式进行数据存储这种结构中只有两种数据类型无符号数和表。 无符号数属于基本的数据类型以 u1、u2、u4、u8 来分别代表 1 个字节、2 个字节、4 个字节和 8 个字节的无符号数无符号数可 以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照 UTF-8 编码构成字符串值。 表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型所有表都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结 构的数据整个 Class 文件本质上就是一张表。 由于表没有固定长度所以通常会在其前面加上个数说明
代码说明
public class Demo {private int num 1;public int add(){num num 2;return num;}
}对应的字节码文件 换句话说充分理解了每一个字节码文件的细节自己也可以反编译出Java源文件来。
1、class文件结构细节概述 Class文件的结构并不是一成不变的随着Java虚拟机的不断发展总是不可避免地会对Class文件结构做出一些调整但是其基本结构和框架是非常稳定的。 Class文件的总体结构如下 魔数Class文件版本常量池访问标识(或标志)类索引父类索引接口索引集合字段表集合方法表集合属性表集合 这是一张Java字节码总的结构表我们按照上面的顺序逐一进行解读就可以了。 2、class文件的魔数是什么
Magic Number魔数class文件的标志 每个 Class 文件开头的4个字节的无符号整数称为魔数Magic Number 它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的有效合法的Class文件。即魔数是Class文件的标识符。 魔数值固定为0xCAFEBABE。不会改变。 如果一个Class文件不以0xCAFEBABE开头虚拟机在进行文件校验的时候就会直接抛出以下错误 Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again
Exception in thread main java.lang.ClassFormatError: Incompatible magic value 1885430635 in class file StringTest使用魔数而不是扩展名来进行识别主要是基于安全方面的考虑因为文件扩展名可以随意地改动。
3、如何确保高版本的JVM可执行低版本的class文件 不同版本的Java编译器编译的Class文件对应的版本是不一样的。目前高版本的Java虚拟机可以执行由低版本编译器生成的Class文件,但是低版本的Java虚拟机不能执行由高版本编译器生成的Class文件。否则JVM会抛出java.lang.UnsupportedClassVersionError异常。 向下兼容 在实际应用中由于开发环境和生产环境的不同可能会导致该问题的发生。因此需要我们在开发时特别注意开发编译的JDK版本和生产环境中的JDK版本是否一致。 class文件版本号
紧接着魔数的 4 个字节存储的是 Class 文件的版本号。同样也是4个字节。第5个和第6个字节所代表的含义就是编译的副版本号minor_version而第7个和第8个字节就是编译的主版本号major_version。
它们共同构成了class文件的格式版本号。譬如某个 Class 文件的主版本号为 M副版本号为 m那么这个Class 文件的格式版本号就确定为 M.m。
版本号和Java编译器的对应关系如下表 Java 的版本号是从45开始的JDK 1.1之后的每个JDK大版本发布主版本号向上加1。
虚拟机JDK版本为1.k k 2时对应的class文件格式版本号的范围为45.0 - 44k.0 含两端。
4、常量池 常量池存放所有常量 常量池是Class文件中内容最为丰富的区域之一。常量池对于Class文件中的字段和方法解析也有着至关重要的作用。常量池可以理解为Class文件之中的资源仓库它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据类型后面的很多数据类型都会指向此处也是占用Class文件空间最大的数据项目之一。常量池表项中用于存放编译时期生成的各种字面量和符号引用这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。在版本号之后紧跟着的是常量池的数量以及若干个常量池表项。常量池中常量的数量是不固定的所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的无符号数代表常量池容量计数值constant_pool_count。与Java中语言习惯不一样的是这个容量计数是从1而不是0开始的。 由上表可见Class文件使用了一个前置的容量计数器constant_pool_count加若干个连续的数据项constant_pool的形式来描述常量池内容。我们把这一系列连续常量池数据称为常量池集合。
1、为什么需要常量池计数器 constant_pool_count 常量池计数器 由于常量池的数量不固定时长时短所以需要放置两个字节来表示常量池容量计数值。 常量池容量计数值u2类型从1开始表示常量池中有多少项常量。即constant_pool_count1表示常量池中有0个常量项。 Demo的值为 其值为0x0016,掐指一算也就是22。
需要注意的是这实际上只有21项常量。索引为范围是1-21。为什么呢
通常我们写代码时都是从0开始的但是这里的常量池却是从1开始因为它把第0项常量空出来了。这是为了满足后面某些指向常量池的索引值的数据在特定情况下需要表达“不引用任何一个常量池项目”的含义这种情况可用索引值0来表示。
2、常量池表 constant_pool []常量池 constant_pool是一种表结构以 1 ~ constant_pool_count - 1为索引。表明了后面有多少个常量项常量池主要存放两大类常量字面量Literal和符号引用Symbolic References它包含了class文件结构及其子结构中引用的所有字符串常量、类或接口名、字段名和其他常量。常量池中的每一项都具备相同的特征。第1个字节作为类型标记用于确定该项的格式这个字节称为tag byte 标记字节、标签字节。 1、字面量和符号引用
在对这些常量解读前我们需要搞清楚几个概念。 常量池主要存放两大类常量字面量Literal和符号引用Symbolic References。如下表 String str javaxiaobear; //字面量
final int NUM 10; // 符号引用全限定名
com/atguigu/test/Demo这个就是类的全限定名仅仅是把包名的.“替换成”/为了使连续的多个全限定名之间不产生混淆在使用时最后一般会加入一个“;”表示全限定名结束。
简单名称
简单名称是指没有类型和参数修饰的方法或者字段名称上面例子中的类的add()方法和num字段的简单名称分别是add和num。
描述符
描述符的作用是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表包括数量、类型以及顺序和返回值。根据描述符规则基本数据类型byte、char、double、float、int、long、short、boolean以及代表无返回值的void类型都用一个大写字符来表示而对象类型则用字符L加对象的全限定名来表示详见下表: 数据类型基本数据类型 、 引用数据类型 用描述符来描述方法时按照先参数列表后返回值的顺序描述参数列表按照参数的严格顺序放在一组小括号“()”之内。如
方法java.lang.String toString()的描述符为() Ljava/lang/String;方法int abc(int[] x, int y)的描述符为([II) I。
2、谈谈你对符号引用、直接引用的理解
Java代码在进行Javac编译的时候并不像C和C那样有“连接”这一步骤而是在虚拟机加载Class文件的时候进行动态链接。也就是说在Class文件中不会保存各个方法、字段的最终内存布局信息因此这些字段、方法的符号引用不经过运行期转换的话无法得到真正的内存入口地址也就无法直接被虚拟机使用。当虚拟机运行时需要从常量池获得对应的符号引用再在类创建时或运行时解析、翻译到具体的内存地址之中。
虚拟机在加载Class文件时才会进行动态链接也就是说Class文件中不会保存各个方法和字段的最终内存布局信息因此这些字段和方法的符号引用不经过转换是无法直接被虚拟机使用的。当虚拟机运行时需要从常量池中获得对应的符号引用再在类加载过程中的解析阶段将其替换为直接引用并翻译到具体的内存地址中。 这里说明下符号引用和直接引用的区别与关联
符号引用符号引用以一组符号来描述所引用的目标符号可以是任何形式的字面量只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关引用的目标并不一定已经加载到了内存中。直接引用直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用那说明引用的目标必定已经存在于内存之中了。
3、常量类型和结构
常量池中每一项常量都是一个表JDK1.7之后共有14种不同的表结构数据。如下表格所示 根据上图每个类型的描述我们也可以知道每个类型是用来描述常量池中哪些内容主要是字面量、符号引用的。比如CONSTANT_Integer_info是用来描述常量池中字面量信息的而且只是整型字面量信息。
标志为15、16、18的常量项类型是用来支持动态语言调用的jdk1.7时才加入的。
细节说明 CONSTANT_Class_info 结构用于表示类或接口 CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info和CONSTANT_InterfaceMethodref_info结构表示字段、方法和接口方法 CONSTANT_String_info结构用于表示String类型的常量对象 CONSTANT_Integer_info和CONSTANT_Float_info 表示4字节int和float的数值常量 CONSTANT_Long_info和CONSTANT_Double_info结构表示8字节(long和double)的数值常量 在class文件的常量池表中所有的8字节常量均占两个表成员项的空间。如果一个CONSTANT_Long_info或CONSTANT_Double_info结构的项在常量池表中的索引位n则常量池表中下一个可用项的索引位n2此时常量池表中索引为n1的项仍然有效但必须视为不可用的。 CONSTANT_NameAndType_info结构用于表示字段或方法但是和之前的3个结构不同CONSTANT_NameAndType_info结构没有指明该字段或方法所属的类或接口。 CONSTANT_Utf8_info用于表示字符常量的值 CONSTANT_MethodHandle_info结构用于表示方法句柄 CONSTANT_MethodType_info结构表示方法类型 CONSTANT_InvokeDynamic_info结构用于表示invokedynamic指令所用到的引导方法(bootstrap method)、引导方法所用到的动态调用名称(dynamic invocation name)、参数和返回类型并可以给引导方法传入一系列称为静态参数(static argument)的常量。
解析方式
一个字节一个字节的解析使用javap命令解析javap -verbose Demo.class 或 jclasslib工具会更方便。
总结
这14种表或者常量项结构的共同点是表开始的第一位是一个u1类型的标志位tag代表当前这个常量项使用的是哪种表结构即哪种常量类型。在常量池列表中CONSTANT_Utf8_info常量项是一种使用改进过的UTF-8编码格式来存储诸如文字字符串、类或者接口的全限定名、字段或者方法的简单名称以及描述符等常量字符串信息。这14种常量项结构还有一个特点是其中13个常量项占用的字节固定只有CONSTANT_Utf8_info占用字节不固定其大小由length决定。为什么呢因为从常量池存放的内容可知其存放的是字面量和符号引用最终这些内容都会是一个字符串这些字符串的大小是在编写程序时才确定比如你定义一个类类名可以取长取短所以在没编译前大小不固定编译后通过utf-8编码就可以知道其长度。
5、访问标识
访问标识(access_flag、访问标志、访问标记)
在常量池后紧跟着访问标记。该标记使用两个字节表示用于识别一些类或者接口层次的访问信息包括这个 Class 是类还是接口是否定义为 public 类型是否定义为 abstract 类型如果是类的话是否被声明为 final 等。各种访问标记如下所示 类的访问权限通常为 ACC_ 开头的常量。每一种类型的表示都是通过设置访问标记的32位中的特定位来实现的。比如若是public final的类则该标记为ACC_PUBLIC | ACC_FINAL。使用ACC_SUPER可以让类更准确地定位到父类的方法super.method(),现代编译器都会设置并且使用这个标记。
补充说明
带有ACC_INTERFACE标志的class文件表示的是接口而不是类反之则表示的是类而不是接口 如果一个class文件被设置了 ACC_INTERFACE 标志那么同时也得设置ACC_ABSTRACT 标志。同时它不能再设置 ACC_FINAL、ACC_SUPER 或 ACC_ENUM 标志。如果没有设置ACC_INTERFACE标志那么这个class文件可以具有上表中除 ACC_ANNOTATION外的其他所有标志。当然ACC_FINAL和ACC_ABSTRACT这类互斥的标志除外。这两个标志不得同时设置。 ACC_SUPER标志用于确定类或接口里面的invokespecial指令使用的是哪一种执行语义。针对Java虚拟机指令集的编译器都应当设置这个标志。对于Java SE 8及后续版本来说无论class文件中这个标志的实际值是什么也不管class文件的版本号是多少Java虚拟机都认为每个class文件均设置了ACC_SUPER标志。 含ACC_SUPER标志是为了向后兼容由旧Java编译器所编译的代码而设计的。目前的 ACC_SUPER标志在由JDK 1.0.2之前的编译器所生成的access_flags中是没有确定义的如果设置了该标志那么Oracle的Java虚拟机实现会将其忽略。 ACC_SYNTHETIC标志意味着该类或接口是由编译器生成的而不是由源代码生成的。注解类型必须设置ACC_ANNOTATION标志。如果设置了 ACC_ANNOTATION标志 那么也必须设置ACC_INTERFACE标志。ACC_ENUM标志表明该类或其父类为枚举类型。表中没有使用的access_flags标志是为未来扩充而预留的这些预留的标志在编译器中应该设置为0, Java虚拟机实现也应该忽略它们
6、类索引、父类索引、接口索引集合
在访问标记后会指定该类的类别、父类类别以及实现的接口格式如下 这三项数据来确定这个类的继承关系。
类索引用于确定这个类的全限定名父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。由于 Java语言不允许多重继承所以父类索引只有一个除了java.lang.Object 之外所有的Java类都有父类因此除了java.lang.Object 外所有Java类的父类索引都不为 0。接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口这些被实现的接口将按 implements 语句如果这个类本身是一个接口则应当是 extends 语句后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。
1、this_class类索引
2字节无符号整数指向常量池的索引。它提供了类的全限定名,如com/atguigu/java1/Demo。this_class的值必须是对常量池表中某项的一个有效索引值。常量池在这个索引处的成员必须为CONSTANT_Class_info类型结构体该结构体表示这个class文件所定义的类或接口。
2、super_class 父类索引
2字节无符号整数指向常量池的索引。它提供了当前类的父类的全限定名。如果我们没有继承任何类其默认继承的是java/lang/Object类。同时由于Java不支持多继承所以其父类只有一个。superclass指向的父类不能是final。
3、interfaces
指向常量池索引集合它提供了一个符号引用到所有已实现的接口由于一个类可以实现多个接口因此需要以数组形式保存多个接口的索引表示接口的每个索引也是一个指向常量池的CONSTANT_Class (当然这里就必须是接口而不是类)。
1、interfaces_count (接口计数器)
interfaces_count项的值表示当前类或接口的直接超接口数量。
2、interfaces
interfaces []中每个成员的值必须是对常量池表中某项的有效索引值它的长度为 interfaces_count。 每个成员 interfaces[i]必须为 CONSTANT_Class_info结构其中 0 i interfaces_count。在 interfaces[]中各成员所表示的接口顺序和对应的源代码中给定的接口顺序从左至右一样即 interfaces[0]对应的是源代码中最左边的接口。
7、字段表集合
用于描述接口或类中声明的变量。字段field包括类级变量以及实例级变量但是不包括方法内部、代码块内部声明的局部变量。(local variables)字段叫什么名字、字段被定义为什么数据类型这些都是无法固定的只能引用常量池中的常量来描述。它指向常量池索引集合它描述了每个字段的完整信息。比如字段的标识符、访问修饰符public、private或protected、是类变量还是实例变量static修饰符、是否是常量final修饰符等。
注意事项
字段表集合中不会列出从父类或者实现的接口中继承而来的字段但有可能列出原本Java代码之中不存在的字段。譬如在内部类中为了保持对外部类的访问性会自动添加指向外部类实例的字段。在Java语言中字段是无法重载的两个字段的数据类型、修饰符不管是否相同都必须使用不一样的名称但是对于字节码来讲如果两个字段的描述符不一致那字段重名就是合法的。
1、字段计数器
fields_count的值表示当前class文件fields表的成员个数。使用两个字节来表示。 fields表中每个成员都是一个field_info结构用于表示该类或接口所声明的所有类字段或者实例字段不包括方法内部声明的变量也不包括从父类或父接口继承的那些字段。
2、字段表
fields表中的每个成员都必须是一个fields_info结构的数据项用于表示当前类或接口中某个字段的完整描述。
一个字段的信息包括如下这些信息。这些信息中各个修饰符都是布尔值要么有要么没有。
作用域public、private、protected修饰符是实例变量还是类变量static修饰符可变性final并发可见性volatile修饰符是否强制从主内存读写可否序列化transient修饰符字段数据类型基本数据类型、对象、数组字段名称
字段表结构
字段表作为一个表同样有他自己的结构 字段表访问标识
我们知道一个字段可以被各种关键字去修饰比如作用域修饰符public、private、protected、static修饰符、final修饰符、volatile修饰符等等。因此其可像类的访问标志那样使用一些标志来标记字段。字段的访问标志有如下这些 字段名索引
根据字段名索引的值查询常量池中的指定索引项即可。
描述符索引
描述符的作用是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表包括数量、类型以及顺序和返回值。根据描述符规则基本数据类型byte,char,double,float,int,long,short,boolean及代表无返回值的void类型都用一个大写字符来表示而对象则用字符L加对象的全限定名来表示如下所示 属性表集合
一个字段还可能拥有一些属性用于存储更多的额外信息。比如初始化值、一些注释信息等。属性个数存放在attribute_count中属性具体内容存放在attributes数组中。 以常量属性为例结构为
ConstantValue_attribute{u2 attribute_name_index;u4 attribute_length;u2 constantvalue_index;
}说明对于常量属性而言attribute_length值恒为2。
8、方法表集合
methods指向常量池索引集合它完整描述了每个方法的签名。 在字节码文件中每一个method_info项都对应着一个类或者接口中的方法信息。比如方法的访问修饰符(public、private或protected),方法的返回值类型以及方法的参数信息等。 如果这个方法不是抽象的或者不是native的那么字节码中会体现出来。 一方面methods表只描述当前类或接口中声明的方法不包括从父类或父接口继承的方法。另一方面methods表有可能会出现由编译器自动添加的方法最典型的便是编译器产生的方法信息(比如类(接口)初始化方法()和实例初始化方法())。
使用注意事项 在Java语言中要重载(Overload)一个方法除了要与原方法具有相同的简单名称之外还要求必须拥有一个与原方法不同的特征签名特征签名就是一个方法中各个参数在常量池中的字段符号引用的集合也就是因为返回值不会包含在特征签名之中因此Java语言里无法仅仅依靠返回值的不同来对一个已有方法进行重载。但在Class文件格式中特征签名的范围更大一些只要描述符不是完全一致的两个方法就可以共存。也就是说如果两个方法有相同的名称和特征签名但返回值不同那么也是可以合法共存于同一个class文件中。
也就是说尽管Java语法规范并不允许在一个类或者接口中声明多个方法签名相同的方法但是和Java语法规范相反字节码文件中却恰恰允许存放多个方法签名相同的方法唯一的条件就是这些方法之间的返回值不能相同。
1、方法计数器
methods_count的值表示当前class文件methods表的成员个数。使用两个字节来表示。 methods 表中每个成员都是一个method_info结构
2、方法表
methods表中的每个成员都必须是一个method_info结构用于表示当前类或接口中某个方法的完整描述。如果某个method_info结构的access_flags项既没有设置 ACC_NATIVE 标志也没有设置ACC_ABSTRACT标志那么该结构中也应包含实现这个方法所用的Java虚拟机指令。method_info结构可以表示类和接口中定义的所有方法包括实例方法、类方法、实例初始化方法和类或接口初始化方法方法表的结构实际跟字段表是一样的方法表结构如下 1、方法表访问标志
跟字段表一样方法表也有访问标志而且他们的标志有部分相同部分则不同方法表的具体访问标志如下 2、方法名索引
根据方法名索引的值查询常量池中的指定索引项即可。
3、 描述符索引
根据描述符索引的值查询常量池中的指定索引项即可。
4、属性计数器
根据属性计数器的值判断出方法中属性的个数。
9、属性表集合
方法表集合之后的属性表集合指的是class文件所携带的辅助信息比如该 class 文件的源文件的名称。以及任何带有RetentionPolicy.CLASS 或者RetentionPolicy.RUNTIME的注解。这类信息通常被用于Java虚拟机的验证和运行以及Java程序的调试一般无须深入了解。
此外字段表、方法表都可以有自己的属性表。用于描述某些场景专有的信息。
属性表集合的限制没有那么严格不再要求各个属性表具有严格的顺序并且只要不与已有的属性名重复任何人实现的编译器都可以向属性表中写入自己定义的属性信息但Java虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。
1、属性计数器
attributes_count的值表示当前class文件属性表的成员个数。属性表中每一项都是一个attribute_info结构。
2、属性表
属性表的每个项的值必须是attribute_info结构。属性表的结构比较灵活各种不同的属性只要满足以下结构即可。
1、属性的通用格式 即只需说明属性的名称以及占用位数的长度即可属性表具体的结构可以去自定义。
2、属性类型
属性表实际上可以有很多类型上面看到的Code属性只是其中一种Java8里面定义了23种属性。 下面这些是虚拟机中预定义的属性 或查看官网
