类字节码：揭开Java虚拟机运行机制的神秘面纱

概述

计算机是不能直接运行java代码的，必须要先运行java虚拟机，再由java虚拟机运行编译后的java代码。
因为在cpu层面看来计算机中所有的操作都是一个个指令的运行汇集而成的，java是高级语言，只有人类才能理解其逻辑，计算机是无法识别的，所以java代码必须要先编译成字节码文件，jvm才能正确识别代码转换后的指令并将其运行。
Java代码间接翻译成字节码，储存字节码的文件再交由运行于不同平台上的JVM虚拟机去读取执行，从而实现一次编写，到处运行的目的。
Java字节码文件

class文件本质上是一个以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑的排列在class文件中。jvm根据其特定的规则解析该二进制数据，从而得到相关信息。
Class文件的结构属性

反编译字节码文件

javac 生成字节码文件，javap 反编译字节码文件
javap用法

javap  

1. -help  --help  -?        输出此用法消息
2.   -version                 版本信息
3.   -v  -verbose             输出附加信息
4.   -l                       输出行号和本地变量表
5.   -public                  仅显示公共类和成员
6.   -protected               显示受保护的/公共类和成员
7.   -package                 显示程序包/受保护的/公共类
8.                            和成员 (默认)
9.   -p  -private             显示所有类和成员
10.   -c                       对代码进行反汇编
11.   -s                       输出内部类型签名
12.   -sysinfo                 显示正在处理的类的
13.                            系统信息 (路径, 大小, 日期, MD5 散列)
14.   -constants               显示最终常量
15.   -classpath <path>        指定查找用户类文件的位置
16.   -cp <path>               指定查找用户类文件的位置
17.   -bootclasspath <path>    覆盖引导类文件的位置

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反编译

1. //Main.java
2. public class Main {
3.    
4.     private int m;
5.    
6.     public int inc() {
7.         return m + 1;
8.     }
9. }

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对以上例子输入命令javap -verbose -p Main.class查看输出内容:

1. Classfile /E:/JavaCode/TestProj/out/production/TestProj/com/rhythm7/Main.class
2.   Last modified 2018-4-7; size 362 bytes
3.   MD5 checksum 4aed8540b098992663b7ba08c65312de
4.   Compiled from "Main.java"
5. public class com.rhythm7.Main
6.   minor version: 0
7.   major version: 52
8.   flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
9. Constant pool:
10.    #1 = Methodref          #4.#18         // java/lang/Object."<init>":()V
11.    #2 = Fieldref           #3.#19         // com/rhythm7/Main.m:I
12.    #3 = Class              #20            // com/rhythm7/Main
13.    #4 = Class              #21            // java/lang/Object
14.    #5 = Utf8               m
15.    #6 = Utf8               I
16.    #7 = Utf8               <init>
17.    #8 = Utf8               ()V
18.    #9 = Utf8               Code
19.   #10 = Utf8               LineNumberTable
20.   #11 = Utf8               LocalVariableTable
21.   #12 = Utf8               this
22.   #13 = Utf8               Lcom/rhythm7/Main;
23.   #14 = Utf8               inc
24.   #15 = Utf8               ()I
25.   #16 = Utf8               SourceFile
26.   #17 = Utf8               Main.java
27.   #18 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
28.   #19 = NameAndType        #5:#6          // m:I
29.   #20 = Utf8               com/rhythm7/Main
30.   #21 = Utf8               java/lang/Object
31. {
32.   private int m;
33.     descriptor: I
34.     flags: ACC_PRIVATE
36.   public com.rhythm7.Main();
37.     descriptor: ()V
38.     flags: ACC_PUBLIC
39.     Code:
40.       stack=1, locals=1, args_size=1
41.          0: aload_0
42.          1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
43.          4: return
44.       LineNumberTable:
45.         line 3: 0
46.       LocalVariableTable:
47.         Start  Length  Slot  Name   Signature
48.             0       5     0  this   Lcom/rhythm7/Main;
50.   public int inc();
51.     descriptor: ()I
52.     flags: ACC_PUBLIC
53.     Code:
54.       stack=2, locals=1, args_size=1
55.          0: aload_0
56.          1: getfield      #2                  // Field m:I
57.          4: iconst_1
58.          5: iadd
59.          6: ireturn
60.       LineNumberTable:
61.         line 8: 0
62.       LocalVariableTable:
63.         Start  Length  Slot  Name   Signature
64.             0       7     0  this   Lcom/rhythm7/Main;
65. }
66. SourceFile: "Main.java"

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字节码文件信息

开头的7行信息包括:Class文件当前所在位置，最后修改时间，文件大小，MD5值，编译自哪个文件，类的全限定名，jdk次版本号，主版本号。
然后紧接着的是该类的访问标志：ACC_PUBLIC, ACC_SUPER，访问标志的含义如下:

常量池

Constant pool意为常量池。
主要存放的是两大类常量：字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)。字面量类似于java中的常量概念，如文本字符串，final常量，而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括以下三种:

• 类和接口的全限定名(Fully Qualified Name)
  
• 字段的名称和描述符号(Descriptor)
  
• 方法的名称和描述符
  

常量池与运行时常量池：

• 常量池：就是一张表（如上图中的constant pool），虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量信息
  
• 运行时常量池：常量池是*.class文件中的，当该类被加载以后，JVM才进行的动态链接，也就是说在运行期转换后它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址
  

1. #1 = Methodref          #4.#18         // java/lang/Object."<init>":()V
2. #4 = Class              #21            // java/lang/Object
3. #7 = Utf8               <init>
4. #8 = Utf8               ()V
5. #18 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
6. #21 = Utf8               java/lang/Object

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第一个常量是一个方法定义，指向了第4和第18个常量。以此类推查看第4和第18个常量。最后可以拼接成第一个常量右侧的注释内容:

1. java/lang/Object."<init>":()V

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这段可以理解为该类的实例构造器的声明，由于Main类没有重写构造方法，所以调用的是父类的构造方法。此处也说明了Main类的直接父类是Object。 该方法默认返回值是V, 也就是void，无返回值。
第二个常量同理可得:

1. #2 = Fieldref           #3.#19         // com/rhythm7/Main.m:I
2. #3 = Class              #20            // com/rhythm7/Main
3. #5 = Utf8               m
4. #6 = Utf8               I
5. #19 = NameAndType        #5:#6          // m:I
6. #20 = Utf8               com/rhythm7/Main

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此处声明了一个字段m，类型为I, I即是int类型。关于字节码的类型对应如下：

对于数组类型，每一位使用一个前置的 [ 字符来描述，如定义一个java.lang.String[][] 类型的维数组，将被记录为 [[Ljava/lang/Strin
方法表集合

在常量池之后的是对类内部的方法描述，在字节码中以表的集合形式表现

1. private int m;
2.   descriptor: I
3.   flags: ACC_PRIVATE

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此处声明了一个私有变量m，类型为int，返回值为int

1. public com.rhythm7.Main();   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 3: 0     LocalVariableTable:       Start  Length  Slot  Name   Signature           0       5     0  this   Lcom/rhythm7/Main;

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这里是构造方法：Main()，返回值为void, 公开方法。
code内的主要属性为:
<ul>stack: 最大操作数栈，JVM运行时会根据这个值来分配栈帧(Frame)中的操作栈深度,此处为1
locals: 局部变量所需的存储空间，单位为Slot, Slot是虚拟机为局部变量分配内存时所使用的最小单位，为4个字节大小。方法参数(包括实例方法中的隐藏参数this)，显示异常处理器的参数(try catch中的catch块所定义的异常)，方法体中定义的局部变量都需要使用局部变量表来存放。值得一提的是，locals的大小并不一定等于所有局部变量所占的Slot之和，因为局部变量中的Slot是可以重用的。
args_size: 方法参数的个数，这里是1，因为每个实例方法都会有一个隐藏参数this

attribute_info: 方法体内容，0,1,4为字节码"行号"，该段代码的意思是将第一个引用类型本地变量推送至栈顶，然后执行该类型的实例方法，也就是常量池存放的第一个变量，也就是注释里的java/lang/Object.""
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