Java之字节码(3) - 简单介绍

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首先了解一下理论知识：

字节码：

Class文件是8位字节流，按字节对齐。之所以称为字节码，是因为每条指令都只占据一个字节，所有的操作码和操作数都是按字节对齐的。如：0×03表示iconst_0

Class文件的头4个字节称为魔数（Magic Number），它的唯一作用是用于确认该文件是否是能被JVM接受的Class文件。魔数值为：0xCAFEBABE。

紧接着魔数的4个字节是Class文件的版本号：第5和第6字节是次版本号（Minor Version），第7和第8字节是主版本号（Major Version）。Java的版本号从45开始的，JDK6的版本号是50。

javap –verbose class文件，查看字节码内容

全限定名：把类全名中的“.”替换成“/”最后加入一个“;”表示结束。如com/test/TestClass;

描述符：基本类型及void用大写字符表示，对象类型用字符L加对象的全限定名表示。

标识字符	含义
B	基本类型byte
C	char
D	double
F	float
I	int
J	long
S	short
Z	boolean
V	void
L	对象类型，如Ljava/lang/Object;

对于数组类型，每一维度将使用一个前置的“[”字符来描述，如定义一个“java.lang.String[][]”类型的二维数组，将被记录为：“[[Ljava/lang/String;”，一个整型数组“int[]”将被记录为“[I”.

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void inc()的描述符为“( )V”,方法java.lang.String toString() 的描述符合为“( )Ljava/lang/String;”，方法int indexOf(char[] source, int sourceOffset,int sourceCount, char[] target, int targetOffset, int targetCount, int fromIndex)的描述符为“([CII[CIII)I”

类构造器“<clinit>”方法，实例构造器“<init>”

JVM中最基本的数据单元是字，字长必须足够大，至少一个字长足以持有byte、short、int等的值，2个字长足以持有long、double的值，字长可以选择32位或者64位。

字长是CPU的主要技术指标之一，指的是CPU一次能并行处理的二进制位数，字长总是8的整数倍，通常PC机的字长为16位（早期），32位，64位。

栈帧的2个部分：局部变量区和操作数栈，是按字来定义的。当把值放入局部变量区或者操作数栈时，它将占有1个或2个字单元。

每启动一个新线程，JVM都为它分配一个Java栈，Java栈以帧为单位保存线程的运行状态，JVM对Java栈执行2种操作：以帧为单位的压栈和出栈。

每当线程调用一个Java方法时，JVM会在线程的Java栈中压入一个新帧，而这个新帧也成了当前帧，当执行这个方法时，它使用这个帧来存储参数、局部变量、中间运算结果等数据。

Java方法有2种方式完成，一种通过return返回，一种通过抛出异常中止，不管那种方式，JVM都将当前帧弹出Java栈然后释放掉，这样上一个方法的帧就成为当前帧了。

Java栈上的所有数据都是此线程私有的，任何线程都不能访问另一个线程的栈数据，因此栈数据是线程安全的。

栈帧由3部分组成：局部变量区、操作数栈、帧数据区。

局部变量区和操作数栈是以字长（32位）为单位的数组。

局部变量区包含方法的参数和局部变量，编译器首先按把这些参数放入局部变量数组。Java栈帧的局部变量区被组织为一个以字长为单位，从0开始计数 的数组。字节码指令通过从0开始的索引来使用其中的数据，如iload_1(把局部变量区的第2个变量压入栈顶),byte、short、int等的值在 数组中只占据1项，而long、double的值在数组中占据连续的2项。

操作数栈：和局部变量区一样，操作数栈也是被组织成一个以字长为单位的数组，但是它不是通过索引来访问，而是通过标志的栈操作：压栈和出栈来访问的。如iadd指令，从操作数栈中弹出2个整数，执行加法运算，然后将其结果压回操作数栈。

iload_0 //将局部变量区的第1个变量压入栈

iload_1 //将局部变量区的第2个变量压入栈

iadd   //栈中弹出2个整数，执行加法运算，然后将其结果压回操作数栈

istore_2 //将栈顶的整数出栈，并存入局部变量区的第3个变量

一般读取局部变量区的数据，需要把局部变量区的变量压入栈，

把值写到局部变量区，也需要先压入栈，再写到局部变量区

帧数据区：存放常量池（要访问的类、字段、方法名等），异常表等数据。

LineNumberTable：字节码偏移量与源代码之间的映射关系。

常见指令：iload_1, istore_1, iconst_1, ldc, bipush, pop, dup, iadd, isub, imul, idiv, return, goto,invoke…, new, newarray, arraylength, instanceof,athrow,monitorenter, monitorexit

然后用字节码了解一下JVM的语法糖：

语法糖：

泛型、自动装箱、自动拆箱、循环遍历、变长参数、条件编译、内部类、枚举类、断言语句、对枚举的switch

类型擦除：

public class TestCls3

{//编译失败，因为List<String>和List<Integer>的泛型被擦除，变成原生类型List

public static void method(List<String> list)

{

System.out.println("invoke method1");

}

public static void method(List<Integer> list)

{

System.out.println("invoke method2");

}

}

public class TestCls3

{//可以执行，因为在Class文件中，只有描述符不完全一致的两个方法就可以共存

//也就是说两个方法如果有相同的名称和特征签名，但返回值不同，也是可以共存在一个Class文件的

public static String method(List<String> list)

{

System.out.println("invoke method1");

return "";

}

public static int method(List<Integer> list)

{

System.out.println("invoke method2");

return 1;

}

public static void main(String[] args)

{

method(new ArrayList<String>());

method(new ArrayList<Integer>());

}

}

javap –verbose demo.TestCls3

Constant pool:

const #17 = Asciz       (Ljava/util/List<Ljava/lang/String;>;)Ljava/lang/String;

;

const #39 = Asciz       (Ljava/util/List<Ljava/lang/Integer;>;)I;

public static java.lang.String method(java.util.List);  //方法名擦除为List

Signature: length = 0×2

00 11   //指到常量池中的第17

public static int method(java.util.List);     //方法名擦除为List

Signature: length = 0×2

00 27   //指到常量池中的第39

类型擦除，仅仅对方法的Code属性中的字节码进行擦除，元数据Signature还是保留了泛型数据。（Method类的signature变量）

Java的条件编译

只有条件为常量且只有if语句才能有这种效果

public class TestCls5

{

public static void main(String[] args)

{

if (true)

{

System.out.println(“true”);

}

else

{

System.out.println(“false”);

}

}

}

编译后的字节码只包含：System.out.println(“true”);

public class TestCls5

{

public static void main(String[] args)

{

System.out.println(“true”);

}

}

自增++操作的线程非安全：

public class TestCls5

{

private static volatile int count;

public static void main(String[] args)

{

count++;

}

}

对应字节码（分为4个指令，在多线程下访问可能出现脏数据）：

Code:

0:   getstatic       #18; //Field count:I   获取指定类的静态域，并将其值压入栈顶

3:   iconst_1                         将整型常量1压入栈顶

4:   iadd                             将栈顶的2个值出栈并相加，然后将结果入栈顶

5:   putstatic       #18; //Field count:I   为指定的类的静态域赋值

8:   return                            方法返回

字符串的＋操作（javac编译器会对String连接做自动优化）：

public String constractStr(String str1, String str2, String str3)

{

return str1 + str2 + str3;

}

对应字节码（JDK1.5之后转换为调用StringBuilder.append方法）：

Code:

0:   new     #24; //class java/lang/StringBuilder

3:   dup

4:   aload_1

5:   invokestatic    #26; //Method java/lang/String.valueOf:(Ljava/lang/Objec

t;)Ljava/lang/String;

8:   invokespecial   #32; //Method java/lang/StringBuilder.”<init>”:(Ljava/la

ng/String;)V

11:  aload_2

12:  invokevirtual   #35; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang

/String;)Ljava/lang/StringBuilder;

15:  aload_3

16:  invokevirtual   #35; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang

/String;)Ljava/lang/StringBuilder;  ――调用StringBuilder的append方法

19:  invokevirtual   #39; //Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/l

ang/String;

22:  areturn     ――返回引用

public String constractStr()

{

return “str1″ + “str2″ + “str3″;

}

对应的字节码：

Code:

0:   ldc     #24; //String str1str2str3         –将字符串常量压入栈顶

2:   areturn

public String constractStr(String str3)

{

return “str1″ + “str2″ + str3;

}

对应的字节码：

Code:

0:   new     #24; //class java/lang/StringBuilder

3:   dup

4:   ldc     #26; //String str1str2   –将字符串常量str1str2压入栈顶

6:   invokespecial   #28; //Method java/lang/StringBuilder.”<init>”:(Ljava/la

ng/String;)V

9:   aload_1

10:  invokevirtual   #31; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang

/String;)Ljava/lang/StringBuilder;     ――调用StringBuilder的append方法

13:  invokevirtual   #35; //Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/l

ang/String;

16:  areturn