深入理解JVM-字节码

╰+攻爆jí腚メ 2021-09-29 23:34 430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 #

>        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 #

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

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

# Java字节码结构 #

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 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

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][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]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)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

# 方法表 #

method\_count:u2 (表示方法的个数)  
![在这里插入图片描述][20190722095753976.png]

## 方法的属性结构 ##

方法中的每个属性都是一个attribute\_info结构

![在这里插入图片描述][20190722095948858.png]

## 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][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

## 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][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

*  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 ##

public class MyTest1 { 
    
        private int a = 1;
    
        public int getA() { 
            return a;
        }
    
        public void setA(int a) { 
            this.a = a;
        }
    }

E:\IdeaProjects\jvm_lecture\target\classes>javap -verbose com/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1
    Classfile /E:/IdeaProjects/jvm_lecture/target/classes/com/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1.class
      Last modified 2019-7-21; size 497 bytes
      MD5 checksum 5fea812ebd710c6be8d438b7e0959a03
      Compiled from "MyTest1.java"
    public class com.wangzhao.jvm.bytecode.MyTest1
      minor version: 0
      major version: 52
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
    Constant pool:
       #1 = Methodref          #4.#20         // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Fieldref           #3.#21         // com/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1.a:I
       #3 = Class              #22            // com/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1
       #4 = Class              #23            // java/lang/Object
       #5 = Utf8               a
       #6 = Utf8               I
       #7 = Utf8               <init>
       #8 = Utf8               ()V
       #9 = Utf8               Code
      #10 = Utf8               LineNumberTable
      #11 = Utf8               LocalVariableTable
      #12 = Utf8               this
      #13 = Utf8               Lcom/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1;
      #14 = Utf8               getA
      #15 = Utf8               ()I
      #16 = Utf8               setA
      #17 = Utf8               (I)V
      #17 = Utf8               (I)V
      #18 = Utf8               SourceFile
      #19 = Utf8               MyTest1.java
      #20 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
      #21 = NameAndType        #5:#6          // a:I
      #22 = Utf8               com/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1
      #23 = Utf8               java/lang/Object
    { 
      public com.wangzhao.jvm.bytecode.MyTest1();
        descriptor: ()V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=2, locals=1, args_size=1
             0: aload_0
             1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
             4: aload_0
             5: iconst_1
             6: putfield      #2                  // Field a:I
             9: return
          LineNumberTable:
            line 7: 0
            line 10: 4
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0      10     0  this   Lcom/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1;
    
      public int getA();
        descriptor: ()I
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=1, locals=1, args_size=1
             0: aload_0
             1: getfield      #2                  // Field a:I
             4: ireturn
          LineNumberTable:
            line 13: 0
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       5     0  this   Lcom/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1;
      public void setA(int);
        descriptor: (I)V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=2, locals=2, args_size=2
             0: aload_0
             1: iload_1
             2: putfield      #2                  // Field a:I
             5: return
          LineNumberTable:
            line 18: 0
            line 19: 5
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       6     0  this   Lcom/wangzhao/jvm/bytecode/MyTest1;
                0       6     1     a   I
    }
    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][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]  
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][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

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][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]  
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 ##

public class MyTest2 { 
    
        String str = "Welcome";
    
        private int x = 5;
    
        public static Integer in = 10;
    
        public static void main(String[] args) { 
            MyTest2 myTest2 = new MyTest2();
            myTest2.setX(8);
            in = 20;
        }
    
        public void setX(int x) { 
            this.x = x;
        }
    
        private static void test(String str){ 
            synchronized (str){ 
                System.out.println("hello world");
            }
        }
    
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

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][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]  
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 ##

public class MyTest3 { 
    
        public void test(){ 
            try { 
                InputStream is = new FileInputStream("test.txt");
                ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999);
            }catch (FileNotFoundException ex){ 
    
            }catch (IOException ex){ 
    
            }catch (Exception ex){ 
    
            }finally { 
                System.out.println("finally");
            }
        }
    
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]

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。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20210812/d72daa28cc62423b9405c86b4431fc13.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20210812/6322ac1e420743119a3c09aae7019bd0.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20210812/6e04c13df883479db1895916dc76231d.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20210812/ac09616f495741d4a2cdd0ff8ed4669b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20210812/8390d244161543a8b8e4afcc58f83b36.png
[20190722095753976.png]: /images/20210812/a736413622624078965114c505560496.png
[20190722095948858.png]: /images/20210812/b58961b02c8040268b7ab7d6a7674132.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20210812/f5ba0c4015884929bed17260bcffb498.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20210812/eb4b09b8f46e43579392203aaaa3fa39.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: /images/20210812/8720e5b127444ea3862eb802fdfc36ad.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]: https://img-blog.csdnimg.cn/201907221038284.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18=,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]: /images/20210812/525fd6a0af27434eb89f4536613f6deb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]: /images/20210812/0131eea8a9cd4084ac7e8c946e6bab24.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]: /images/20210812/645e822c00714c6495b0bba11b225cde.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdfemhhb18_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]: /images/20210812/fa128cdbf64c443891c71fe59da4d38b.png
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