深入理解JVM-字节码

╰+攻爆jí腚メ 2021-09-29 23:34 514阅读 0赞

字节码

  • Class文件
  • Java字节码整体结构
  • Java字节码结构
  • 常量池中数据类型的结构总表
  • 访问标志
  • 字段表集合
  • 方法表
    • 方法的属性结构
    • JVM规范预定义的attribute
    • Code结构
    • 附加属性
  • 代码示例
    • 示例1
    • 示例2
    • 示例3

Class文件

  1.    Java源程序被编译器编译后称为class文件，而Class文件则由自己的格式，其采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构只有两种数据类型，无符号数和表。正是因为class文件拥有自己的格式才使得Java程序可以跨平台执行。

Java字节码整体结构





























































字节数 名称 含义
4 Magic Number 魔数，值为0xCAFEBABE
2+2 Version 包括minor version和major version
2 + n Constant Pool 字符串常量池
2 Access Flags 权限
2 This Class Name 当前类的全限定类名，指向常量池
2 Super Class Name 父类的全限定类名，指向常量池
2+n Interfaces 所实现的接口以及接口表
2+n Fields 拥有的字段以及字段表
2+n Methods 拥有的方法以及方法表
2+n Attributes 拥有的属性以及属性表

在这里插入图片描述
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Java字节码结构

  1.    Class字节码中有两种数据类型:
  • 字节数据直接量：这是基本的数据类型。共分为u1、u2、u4、u8四种，分别代表连续的一个字节、2个字节、4个字节、8个字节组成的整体数据。
  • 表（数组）：表是由多个基本数据或其他表，按照既定顺序组成的大的数据集合。表是有结构的，它的结构体现在：组成表的成分所在的位置和顺序都是已经严格定义好的。

常量池中数据类型的结构总表

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  1.    上面的表中描述了11中常用的数据类型，jdk1.7之后又增加了三种,CONSTANT\_MethodHandle\_info、CONSTANT\_MethodType\_info以及CONSTANT\_MethodDynamic\_info。

访问标志

在这里插入图片描述如果一个类是public以及final的，那么其标志值为分别对应的标志值相或，所以其标志值为0x0011。

字段表集合

字段表用于描述类和接口中声明的变量。这里的字段包含了类级别变量以及实例变量，但是不包括方法内部的局部变量。

fields_count: u2 (表示字段的个数)

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方法表

method_count:u2 (表示方法的个数)
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方法的属性结构

方法中的每个属性都是一个attribute_info结构

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JVM规范预定义的attribute

  • JVM预定义了部分attribute，但是编译器自己也可以实现自己的attribute写入class文件里，供运行时使用。
  • 不同的attribute通过attribute_name_index来区分。

在这里插入图片描述

Code结构

Code attribute的作用是保存该方法的结构

在这里插入图片描述

  • attribute_length 表示attribute所包含的字节数，不包含attribute_name_index和attribute_length字段。
  • max_stack表示这个方法运行的任何时刻所能达到的操作数栈的最大深度
  • max_locals表示方法执行期间创建的局部变量的数目，包含用来表示传入的参数的局部变量
  • code_length表示该方法所包含的字节码的字节数以及具体的指令码
  • 具体字节码即是该方法被调用时，虚拟机所指向的字节码
  • exception_table，异常表，这里存放的是处理异常的信息
  • 每个exception_table表项由start_pc,end_pc,handle_pc,catch_type组成
  • start_pc和end_pc表示在code数组中的从start_pc和end_pc处（包含start_pc,不包含end_pc）的指令抛出的异常由这个表项来处理
  • handler_pc表示处理异常的代码的开始处。catch_type表示会被处理的异常类型，它指向常量池里的一个异常类。当catch_type为0时，表示处理所有异常

附加属性

方法的附加属性：

  • LineNumberTable：这个属性用来表示code数组·中的字节码和Java代码行数之间的关系。这个属性可以用来在调试的时候定位代码执行的行数。

代码示例

示例1

  1. public class MyTest1 { 
  3.     private int a = 1;
  5.     public int getA() { 
  6.         return a;
  7.     }
  9.     public void setA(int a) { 
  10.         this.a = a;
  11.     }
  12. }
  14. E:\IdeaProjects\jvm_lecture\target\classes>javap -verbose com/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1
  15. Classfile /E:/IdeaProjects/jvm_lecture/target/classes/com/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1.class
  16.   Last modified 2019-7-21; size 497 bytes
  17.   MD5 checksum 5fea812ebd710c6be8d438b7e0959a03
  18.   Compiled from "MyTest1.java"
  19. public class com.wangzhao.jvm.bytecode.MyTest1
  20.   minor version: 0
  21.   major version: 52
  22.   flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  23. Constant pool:
  24.    #1 = Methodref          #4.#20         // java/lang/Object."<init>":()V
  25.    #2 = Fieldref           #3.#21         // com/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1.a:I
  26.    #3 = Class              #22            // com/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1
  27.    #4 = Class              #23            // java/lang/Object
  28.    #5 = Utf8               a
  29.    #6 = Utf8               I
  30.    #7 = Utf8               <init>
  31.    #8 = Utf8               ()V
  32.    #9 = Utf8               Code
  33.   #10 = Utf8               LineNumberTable
  34.   #11 = Utf8               LocalVariableTable
  35.   #12 = Utf8               this
  36.   #13 = Utf8               Lcom/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1;
  37.   #14 = Utf8               getA
  38.   #15 = Utf8               ()I
  39.   #16 = Utf8               setA
  40.   #17 = Utf8               (I)V
  41.   #17 = Utf8               (I)V
  42.   #18 = Utf8               SourceFile
  43.   #19 = Utf8               MyTest1.java
  44.   #20 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  45.   #21 = NameAndType        #5:#6          // a:I
  46.   #22 = Utf8               com/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1
  47.   #23 = Utf8               java/lang/Object
  48. { 
  49.   public com.wangzhao.jvm.bytecode.MyTest1();
  50.     descriptor: ()V
  51.     flags: ACC_PUBLIC
  52.     Code:
  53.       stack=2, locals=1, args_size=1
  54.          0: aload_0
  55.          1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
  56.          4: aload_0
  57.          5: iconst_1
  58.          6: putfield      #2                  // Field a:I
  59.          9: return
  60.       LineNumberTable:
  61.         line 7: 0
  62.         line 10: 4
  63.       LocalVariableTable:
  64.         Start  Length  Slot  Name   Signature
  65.             0      10     0  this   Lcom/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1;
  67.   public int getA();
  68.     descriptor: ()I
  69.     flags: ACC_PUBLIC
  70.     Code:
  71.       stack=1, locals=1, args_size=1
  72.          0: aload_0
  73.          1: getfield      #2                  // Field a:I
  74.          4: ireturn
  75.       LineNumberTable:
  76.         line 13: 0
  77.       LocalVariableTable:
  78.         Start  Length  Slot  Name   Signature
  79.             0       5     0  this   Lcom/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1;
  80.   public void setA(int);
  81.     descriptor: (I)V
  82.     flags: ACC_PUBLIC
  83.     Code:
  84.       stack=2, locals=2, args_size=2
  85.          0: aload_0
  86.          1: iload_1
  87.          2: putfield      #2                  // Field a:I
  88.          5: return
  89.       LineNumberTable:
  90.         line 18: 0
  91.         line 19: 5
  92.       LocalVariableTable:
  93.         Start  Length  Slot  Name   Signature
  94.             0       6     0  this   Lcom/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1;
  95.             0       6     1     a   I
  96. }
  97. SourceFile: "MyTest1.java"

通过javap命令，我们对MyTest1的class文件解析可得到如下结果：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述在这里插入图片描述
通过常量池，我们可以找到这个类拥有哪些字段，方法以及父类和接口的全限定类名。需要注意的是，常量池中的索引是从1开始，并没有使用0是因为0表示不引用任何一个常量。

在这里插入图片描述

可以看到==对于类中实例变量的赋值，是在构造方法中完成的。==同时编译器为我们自动增加了一个构造方法。

在这里插入图片描述
对于getA()方法，我们并没有传入参数，但是参数个数却为1，这是因为对于Java类中的每一个实例方法（非static）方法，其在编译后所生成的字节码当中，方法参数的数量总是会比源代码中方法参数的数量多一个（this），它位于方法的参数的第一个参数位置处；这样，我们就可以在java的实例方法中使用this来去访问当前对象的属性以及其他方法。

示例2

  1. public class MyTest2 { 
  3.     String str = "Welcome";
  5.     private int x = 5;
  7.     public static Integer in = 10;
  9.     public static void main(String[] args) { 
  10.         MyTest2 myTest2 = new MyTest2();
  11.         myTest2.setX(8);
  12.         in = 20;
  13.     }
  15.     public void setX(int x) { 
  16.         this.x = x;
  17.     }
  19.     private static void test(String str){ 
  20.         synchronized (str){ 
  21.             System.out.println("hello world");
  22.         }
  23.     }
  25. }

在这里插入图片描述

可以看到synchronized与两个指令相关联，分别为minitorenter以及monitorexit。
minortorenter的作用是：执行该指令的线程尝试获取相关对象的监视器的所有权，如果监视器的计数为0，则线程进入监视器并将其计数设置为1。如果该线程已经拥有该对象的所有权，则监视器的计数加1（可重入）。而其他线程将阻塞，直到该对象的监视器计数为1。
minortorexit的作用是：拥有当前对象监视器所有权的线程递减关联对象的监视器计数，直到为0，当前线程退出监视器。

在这里插入图片描述
对于静态的字段，编译器会生成一个静态构造代码块，完成静态成员变量的赋值。

示例3

  1. public class MyTest3 { 
  3.     public void test(){ 
  4.         try { 
  5.             InputStream is = new FileInputStream("test.txt");
  6.             ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999);
  7.         }catch (FileNotFoundException ex){ 
  9.         }catch (IOException ex){ 
  11.         }catch (Exception ex){ 
  13.         }finally { 
  14.             System.out.println("finally");
  15.         }
  16.     }
  18. }

在这里插入图片描述
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可以看到对于异常的处理流程是通过异常表，罗列出所有可能的路径。

当异常处理存在finally语句块时，现代化的JVM采取的处理方式是将finally语句块的字节码拼接到每一个catch块后面，换句话说，程序中存在多少个catch块，就会在每一个catch块后面重复多少个finally语句块的字节码。

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