jvm系列四类加载与字节码技术

四、类加载与字节码技术

1、类文件结构

首先获得.class字节码文件

方法：

• 在文本文档里写入java代码（文件名与类名一致），将文件类型改为.java
• java终端中，执行javac X:...\XXX.java

以下是字节码文件

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09
0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07
0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29
0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e
0000100 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 12 4c 6f 63
0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01
0000140 00 04 74 68 69 73 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63
0000160 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c 6f
0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16
0000220 28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72
0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13
0000260 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69
0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61
0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46
0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64
0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e
0000400 00 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64
0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74
0000440 63 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c
0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61
0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61
0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f
0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72
0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76
0000600 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d
0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a
0000640 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01
0000700 00 07 00 08 00 01 00 09 00 00 00 2f 00 01 00 01
0000720 00 00 00 05 2a b7 00 01 b1 00 00 00 02 00 0a 00
0000740 00 00 06 00 01 00 00 00 04 00 0b 00 00 00 0c 00
0000760 01 00 00 00 05 00 0c 00 0d 00 00 00 09 00 0e 00
0001000 0f 00 02 00 09 00 00 00 37 00 02 00 01 00 00 00
0001020 09 b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 00 00 00 02 00 0a
0001040 00 00 00 0a 00 02 00 00 00 06 00 08 00 07 00 0b
0001060 00 00 00 0c 00 01 00 00 00 09 00 10 00 11 00 00
0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00
0001120 00 00 02 00 14

根据 JVM 规范，类文件结构如下

u4 			 magic
u2             minor_version;  
u2             major_version;  
u2             constant_pool_count;  
cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];  
u2             access_flags;  
u2             this_class;  
u2             super_class;  
u2             interfaces_count;  
u2             interfaces[interfaces_count];  
u2             fields_count;  
field_info     fields[fields_count];  
u2             methods_count;  
method_info    methods[methods_count];  
u2             attributes_count;  
attribute_info attributes[attributes_count];

魔数

u4 magic

对应字节码文件的0~3个字节

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

版本

u2 minor_version;

u2 major_version;

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

34H = 52，代表JDK8

常量池

见资料文件

…略

2、字节码指令

可参考

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5

javap工具

Oracle 提供了 javap 工具来反编译 class 文件

javap -v F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day01\Main.class

F:\Thread_study>javap -v F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day5\Demo1.class
Classfile /F:/Thread_study/src/com/nyima/JVM/day5/Demo1.class
  Last modified 2020-6-6; size 434 bytes
  MD5 checksum df1dce65bf6fb0b4c1de318051f4a67e
  Compiled from "Demo1.java"
public class com.nyima.JVM.day5.Demo1
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#15         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #16.#17        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #18            // hello world
   #4 = Methodref          #19.#20        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #21            // com/nyima/JVM/day5/Demo1
   #6 = Class              #22            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               Demo1.java
  #15 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #16 = Class              #23            // java/lang/System
  #17 = NameAndType        #24:#25        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #18 = Utf8               hello world
  #19 = Class              #26            // java/io/PrintStream
  #20 = NameAndType        #27:#28        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #21 = Utf8               com/nyima/JVM/day5/Demo1
  #22 = Utf8               java/lang/Object
  #23 = Utf8               java/lang/System
  #24 = Utf8               out
  #25 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #26 = Utf8               java/io/PrintStream
  #27 = Utf8               println
  #28 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public com.nyima.JVM.day5.Demo1();
    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 7: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String hello world
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

         8: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 8
}

图解方法执行流程

代码

public class Demo3_1 {    
	public static void main(String[] args) {        
		int a = 10;        
		int b = Short.MAX_VALUE + 1;        
		int c = a + b;        
		System.out.println(c);  
    }
}

常量池载入运行时常量池

常量池也属于方法区，只不过这里单独提出来了

方法字节码载入方法区

（stack=2，locals=4） 对应操作数栈有2个空间（每个空间4个字节），局部变量表中有4个槽位

执行引擎开始执行字节码

bipush 10

• 将一个 byte 压入操作数栈（其长度会补齐 4 个字节），类似的指令还有
  • sipush 将一个 short 压入操作数栈（其长度会补齐 4 个字节）
  • ldc 将一个 int 压入操作数栈
  • ldc2_w 将一个 long 压入操作数栈（分两次压入，因为 long 是 8 个字节）
  • 这里小的数字都是和字节码指令存在一起，超过 short 范围的数字存入了常量池

istore 1

将操作数栈栈顶元素弹出，放入局部变量表的slot 1中

对应代码中的

a = 10

ldc #3

读取运行时常量池中#3，即32768(超过short最大值范围的数会被放到运行时常量池中)，将其加载到操作数栈中

注意 Short.MAX_VALUE 是 32767，所以 32768 = Short.MAX_VALUE + 1 实际是在编译期间计算好的

istore 2

将操作数栈中的元素弹出，放到局部变量表的2号位置

iload1 iload2

将局部变量表中1号位置和2号位置的元素放入操作数栈中

• 因为只能在操作数栈中执行运算操作

iadd

将操作数栈中的两个元素弹出栈并相加，结果在压入操作数栈中

istore 3

将操作数栈中的元素弹出，放入局部变量表的3号位置

getstatic #4

在运行时常量池中找到#4，发现是一个对象

在堆内存中找到该对象，并将其引用放入操作数栈中

iload 3

将局部变量表中3号位置的元素压入操作数栈中

invokevirtual 5

找到常量池 #5 项，定位到方法区 java/io/PrintStream.println:(I)V 方法

生成新的栈帧（分配 locals、stack等）

传递参数，执行新栈帧中的字节码

执行完毕，弹出栈帧

清除 main 操作数栈内容

return

完成 main 方法调用，弹出 main 栈帧，程序结束

通过字节码指令来分析问题

代码

public class Demo2 {
	public static void main(String[] args) {
		int i=0;
		int x=0;
		while(i<10) {
			x = x++;
			i++;
		}
		System.out.println(x); //接过为0
	}
}

为什么最终的x结果为0呢？ 通过分析字节码指令即可知晓

Code:
     stack=2, locals=3, args_size=1	//操作数栈分配2个空间，局部变量表分配3个空间
        0: iconst_0	//准备一个常数0
        1: istore_1	//将常数0放入局部变量表的1号槽位 i=0
        2: iconst_0	//准备一个常数0
        3: istore_2	//将常数0放入局部变量的2号槽位 x=0
        4: iload_1		//将局部变量表1号槽位的数放入操作数栈中
        5: bipush        10	//将数字10放入操作数栈中，此时操作数栈中有2个数
        7: if_icmpge     21	//比较操作数栈中的两个数，如果下面的数大于上面的数，就跳转到21。这里的比较是将两个数做减法。因为涉及运算操作，所以会将两个数弹出操作数栈来进行运算。运算结束后操作数栈为空
       10: iload_2		//将局部变量2号槽位的数放入操作数栈中，放入的值是0
       11: iinc          2, 1	//将局部变量2号槽位的数加1，自增后，槽位中的值为1
       14: istore_2	//将操作数栈中的数放入到局部变量表的2号槽位，2号槽位的值又变为了0
       15: iinc          1, 1 //1号槽位的值自增1
       18: goto          4 //跳转到第4条指令
       21: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       24: iload_2
       25: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
       28: return

构造方法

cinit()V

public class Demo3 {
	static int i = 10;

	static {
		i = 20;
	}

	static {
		i = 30;
	}

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(i); //结果为30
	}
}

编译器会按从上至下的顺序，收集所有 static 静态代码块和静态成员赋值的代码，合并为一个特殊的方法 cinit()V ：

stack=1, locals=0, args_size=0
         0: bipush        10
         2: putstatic     #3                  // Field i:I
         5: bipush        20
         7: putstatic     #3                  // Field i:I
        10: bipush        30
        12: putstatic     #3                  // Field i:I
        15: return

init()V

public class Demo4 {
	private String a = "s1";

	{
		b = 20;
	}

	private int b = 10;

	{
		a = "s2";
	}

	public Demo4(String a, int b) {
		this.a = a;
		this.b = b;
	}

	public static void main(String[] args) {
		Demo4 d = new Demo4("s3", 30);
		System.out.println(d.a);
		System.out.println(d.b);
	}
}

编译器会按从上至下的顺序，收集所有 {} 代码块和成员变量赋值的代码，形成新的构造方法，但原始构造方法内的代码总是在后

Code:
     stack=2, locals=3, args_size=3
        0: aload_0
        1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
        4: aload_0
        5: ldc           #2                  // String s1
        7: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
       10: aload_0
       11: bipush        20
       13: putfield      #4                  // Field b:I
       16: aload_0
       17: bipush        10
       19: putfield      #4                  // Field b:I
       22: aload_0
       23: ldc           #5                  // String s2
       25: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
       //原始构造方法在最后执行
       28: aload_0
       29: aload_1
       30: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
       33: aload_0
       34: iload_2
       35: putfield      #4                  // Field b:I
       38: return

方法调用

public class Demo5 {
	public Demo5() {

	}

	private void test1() {

	}

	private final void test2() {

	}

	public void test3() {

	}

	public static void test4() {

	}

	public static void main(String[] args) {
		Demo5 demo5 = new Demo5();
		demo5.test1();
		demo5.test2();
		demo5.test3();
		Demo5.test4();
	}
}

不同方法在调用时，对应的虚拟机指令有所区别

• 私有、构造、被final修饰的方法，在调用时都使用invokespecial指令

• 普通成员方法在调用时，使用invokespecial指令。因为编译期间无法确定该方法的内容，只有在运行期间才能确定

• 静态方法在调用时使用invokestatic指令

  Code:
  
  stack=2, locals=2, args_size=1
  
  0: new #2 // class com/nyima/JVM/day5/Demo5
  
  3: dup
  
  4: invokespecial #3 // Method ""