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java虚拟机原理:Class字节码二进制文件分析

作者：韩曙亮

class文件全名称为Java class文件，主要在平台无关性和网络移动性方面使Java更适合网络。它在平台无关性方面的任务是：为Java程序提供独立于底层主机平台的二进制形式的服务。下面我们来详细解读下它吧

一、字节码文件 与 JVM

Java 源码编译成 Class 字节码 ;

Java 虚拟机 可以被认为是一个 解释器 , 解释编译后的 Class 字节码文件 , 最后在不同的操作系统中运行 ;

Android 虚拟机 不是 Java 规范的 虚拟机 , 有一些根据嵌入式设备进行的定制的实现 ;

Class 字节码 本质上就是 二进制数据 , 运行时 , 会被 类加载器 加载到 Java 虚拟机内存的 方法区 中 ; 同时 创建 Class 对象 ;

( Java 虚拟机内存分为 : 堆区 , 方法区 , 栈 , 本地方法栈 , 程序计数器 )

由于要将 Class 字节码文件 加载到 JVM 内存的 方法区 中 , 要占用一定的内存空间 , 这里要求 Class 字节码文件 , 越小越好 ;

二、字节码文件示例

Java 源代码如下 :

public class Student {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

使用 javac 命令将 Student.java 源码编译成 Student.class字节码文件 :

javac Student.java

字节码文件二进制数据分析 :

使用二进制查看工具查看 Student.class 字节码文件 , 这些二进制数值对应的就是 JVM 指令 ;

在这里插入图片描述

CA FE BA BE 00 00 00 34 00 15 0A 00 04 00 11 09
00 03 00 12 07 00 13 07 00 14 01 00 04 6E 61 6D
65 01 00 12 4C 6A 61 76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 53
74 72 69 6E 67 3B 01 00 06 3C 69 6E 69 74 3E 01
00 03 28 29 56 01 00 04 43 6F 64 65 01 00 0F 4C
69 6E 65 4E 75 6D 62 65 72 54 61 62 6C 65 01 00
07 67 65 74 4E 61 6D 65 01 00 14 28 29 4C 6A 61
76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 53 74 72 69 6E 67 3B 01
00 07 73 65 74 4E 61 6D 65 01 00 15 28 4C 6A 61
76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 53 74 72 69 6E 67 3B 29
56 01 00 0A 53 6F 75 72 63 65 46 69 6C 65 01 00
0C 53 74 75 64 65 6E 74 2E 6A 61 76 61 0C 00 07
00 08 0C 00 05 00 06 01 00 07 53 74 75 64 65 6E
74 01 00 10 6A 61 76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 4F 62
6A 65 63 74 00 21 00 03 00 04 00 00 00 01 00 02
00 05 00 06 00 00 00 03 00 01 00 07 00 08 00 01
00 09 00 00 00 1D 00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7
00 01 B1 00 00 00 01 00 0A 00 00 00 06 00 01 00
00 00 01 00 01 00 0B 00 0C 00 01 00 09 00 00 00
1D 00 01 00 01 00 00 00 05 2A B4 00 02 B0 00 00
00 01 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 05 00 01
00 0D 00 0E 00 01 00 09 00 00 00 22 00 02 00 02
00 00 00 06 2A 2B B5 00 02 B1 00 00 00 01 00 0A
00 00 00 0A 00 02 00 00 00 09 00 05 00 0A 00 01
00 0F 00 00 00 02 00 10

使用

javap -v Student.class

命令 , 生成上述字节码文件的 附加信息 ;

命令行输出 :

D:\jvm>javap -v Student.class
Classfile /D:/jvm/Student.class
  Last modified 2021-9-4; size 392 bytes
  MD5 checksum 8b9bb897bb8cf2a8addf04be5b7b915f
  Compiled from "Student.java"
public class Student
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#17         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#18         // Student.name:Ljava/lang/String;
   #3 = Class              #19            // Student
   #4 = Class              #20            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               name
   #6 = Utf8               Ljava/lang/String;
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               getName
  #12 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #13 = Utf8               setName
  #14 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #15 = Utf8               SourceFile
  #16 = Utf8               Student.java
  #17 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #18 = NameAndType        #5:#6          // name:Ljava/lang/String;
  #19 = Utf8               Student
  #20 = Utf8               java/lang/Object
{
  public Student();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0
  public java.lang.String getName();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field name:Ljava/lang/String;
         4: areturn
      LineNumberTable:
        line 5: 0
  public void setName(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: putfield      #2                  // Field name:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 5
}
SourceFile: "Student.java"

在这里插入图片描述

下面开始逐个字节解析上述字节码文件 ;

三、字节码文件二进制结构分析

分析字节码二进制文件时 , 可以参考 javap -v Student.class 命令输出的字节码附加信息进行理解 ;

1、魔数

magic ( 魔数 ) : 4 4 4 字节 , CA FE BA BE , 所有的 Class 字节码都是以 CafeBabe 信息开头的 ;

在这里插入图片描述

2、次版本号

minor_version ( 次版本号 ) : 2 2 2 字节 , 00 00 , 次版本号是 0 0 0 ; 对应字节码附加信息中的 minor version: 0 ;

在这里插入图片描述

3、主版本号

major_version ( 主版本号 ) : 2 2 2 字节 , 00 34 , 主版本号是 52 52 52 ; 对应字节码附加信息中的 major version: 52 ;

在这里插入图片描述

4、常量池个数

constant_pool_count ( 常量池个数 ) : 2 2 2 字节 , 00 15 , 常量池个数是 21 21 21 个 ; 由于 JVM 占用了默认的常量池 #0 , 因此实际上的常量个数是 21 − 1 21 - 1 21−1 个 , 需要对这个数减一处理 ;

在这里插入图片描述

字节码附加信息中 常量池参考 , 有 20 20 20 个常量池 ; #0 常量池 , 被 JVM 占用了 , 代表了一个空引用 , 不指向任何位置 ;

Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#17         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#18         // Student.name:Ljava/lang/String;
   #3 = Class              #19            // Student
   #4 = Class              #20            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               name
   #6 = Utf8               Ljava/lang/String;
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               getName
  #12 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #13 = Utf8               setName
  #14 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #15 = Utf8               SourceFile
  #16 = Utf8               Student.java
  #17 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #18 = NameAndType        #5:#6          // name:Ljava/lang/String;
  #19 = Utf8               Student
  #20 = Utf8               java/lang/Object

总结

本篇文章就到这里了，希望能够给你带来帮助，也希望您能够多多关注脚本之家的更多内容！

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