JVM—类文件结构

╰半夏微凉° 2021-11-19 15:14 397阅读 0赞

### 1.Class类文件的结构 ###

任何一个Class文件都对应着唯一一个类或接口的定义信息.Class文件是一组以8位字节为单位的二进制流,各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件之中,中间没有添加任何分隔符.

根据Java虚拟机规范的规定,Class文件格式采用一种类似于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**,后面的解析都要以这两种数据类型为基础.

无符号数属于基本的数据类型,以u1,u2,u4,u8分别代表1个字节,2个字节,4个字节,8个字节的无符号数,无符号数可以用来描述**数字,索引引用,数值量或者按照UTF-8编码构成的字符串值**

表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型,所有表习惯性的以"\_info"结尾. 表用于描述有层次关系的复合结构的数据,整个Class文件本质上就是一张表

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>类型</th> 
   <th>名称</th> 
   <th>数量</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>u4</td> 
   <td>magic</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>minor_version</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>major_version</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>constant_pool_count</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>cp_info</td> 
   <td>constant_pool</td> 
   <td>constant_pool_count-1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>access_flags</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>this_class</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>super_class</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>interfaces_count</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>interfaces</td> 
   <td>interfaces_count</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>fields_count</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>field_info</td> 
   <td>fields</td> 
   <td>fields_count</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>methods_count</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>method_info</td> 
   <td>methods</td> 
   <td>methods_count</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>attributes_count</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>attribute_info</td> 
   <td>attributes</td> 
   <td>attributes_count</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Class结构不像XML等描述语言, 由于它没有任何的分割符号,所以上表中的数据项,无论是顺序还是数量,甚至是存储的字节序都被严格限定.

### 2.各项属性意义 ###

*  1.每个Class文件的头4个字节被称为魔数,用来确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件, 紧接着四个字节存储的是Class文件的版本号, 先是次版本号, 再是主版本号
 *  2.**常量池:常量池可以理解为Class文件的资源仓库, 是一个表类型的数据项目. 由于常量池的数量是不固定的, 所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的数据,代表常量池容量的计数值, 常量池主要存放两大类常量:字面量和符号引用. 字面量接近于Java语言层面的常量概念,如文本字符串,声明为final的常量值**等,而符号引用则属于编译原理方面的概念,包括这些常量: 类和接口的全限定名,字段的名称和描述符,方法的名称和描述符. 常量池中的每一项都是表,共14种,但这14中表的开始第一位都是一个u1类型的标志位tag,用于表示常量类型

例如,一个类或接口的符号引用常量为 : CONSTANT\_Class\_info类型

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>类型</th> 
   <th>名称</th> 
   <th>数量</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>u1</td> 
   <td>tag</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>name_index</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

其中第一项tag表示的就是表的类型, name\_index是一个索引值,指向常量池中一个CONSTANT Utf8\_info类型常量,此常量代表这个类(或者接口)的权限定名

CONSTANT Utf8\_info类型:

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>类型</th> 
   <th>名称</th> 
   <th>数量</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>u1</td> 
   <td>tag</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>length</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u1</td> 
   <td>bytes</td> 
   <td>length</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

length值说明了这个UTF-8编码的字符串长度是多少字节, 后面紧跟着的长度为length字节的连续数据是一个使用UTF-8缩略编码表示的字符串

*  3.访问标志(access\_flags): 用于识别一些类或者接口层次的访问信息, 包括:这个Class是类还是接口; 是否定义为public类型;如果是类的话是否声明为final等. access\_flags一共有16个标志位可以使用, 当前之定义了其中8个,没有使用到的标志位一律是 0
 *  4.类索引,父类索引和接口索引集合: 类索引(this\_class)和父索引(super\_class)都是一个u2型的数据,而接口索引集合(interfaces)是一组 u2类型的数据的集合. Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系. 类索引 用来确定这个类的全限定名, 父类索引用于确定这个类的父类的全限定名.
 *  5.字段表集合: 字段表(field\_info)用于描述接口或者类中声明的变量.字段包括(field)包括类级变量以及实例级变量,但不包括在方法内部的局部变量. 每个字段可以包括:字段的作用域(public,private,protected修饰符),是实例变量还是类变量(static修饰符),可变性(final),并发可见性(volatile修饰符,是否强制从主内存读写),可否被序列化(transient修饰符),字段数据类型(基本类型,对象,数组),字段名称, 类型和名称需要通过常量池中的常量来描述
 *  6.方法表集合:与字段表类似,不过存储的是类中每个方法的访问标志,名称索引,描述符索引,属性表集合(几项).但方法里的代码呢? 放在了属性表集合中的一个名为"Code"的属性里面. 与字段表集合相对应的, 如果父类方法在子类中没有被重写,方法表集合中就不会出现来自父类的方法信息.
 *  7.属性表集合:在Class文件,字段表,方法表都可以携带自己的属性表集合,以用于某些场景专有的信息.例如Code属性,Java程序方法体中的代码经过Javac编译器处理后,最终变为字节码指令存储在Code属性内.Code属性出现在方法表的属性集合中

### 3.字节码指令 ###

Java虚拟机的指令由一个字节长度的, 代表着某种特定操作含义的数字(操作码)以及跟随其后的零至多个代表此操作的所需参数而构成. 由于Java虚拟机采用了面向操作数栈而不是寄存器的架构,所以大多数的指令都不包括操作数,只有一个操作码

如果不考虑异常处理的话,那么Java虚拟机的解释器可以使用 下面的伪代码的执行模型来理解

do{
        
        自动计算PC寄存器的值加1;
        根据PC寄存器的指示位置,从字节码流中取出操作码;
        if(字节码存在操作数) 从字节码中取出操作数;
        执行操作码定义的操作;
    } while(字节码流长度 > 0);

编译器会在编译期或运行期将byte和short类型的数据带符号扩展为响应的int类型数据, 将boolean和char类型的数据零位扩展为相应的int类型数据.因此大多数对于boolean,byte,short和char类型的数据的操作,实际上都是使用相应的int类型作为运算类型

#### 1> 加载和存储指令 ####

加载和存储指令用于将数据在栈帧中的**局部变量表和操作数栈**之间来回传输

*  将一个局部变量加载到操作栈: iload,iload\_ <n>,lload,lload\_ <n>,fload.fload\_ <n>,dload,dload\_ <n>,aload.aload\_ <n>
 *  将一个数值从操作数栈存储到局部变量表:istore,istore\_ <n>,lstore,lstore\_ <n>,fstore,fstore\_ <n>,dstore,dstore\_ <n>,astore,astore\_ <n>
 *  将一个常量加载到操作数栈:bipush,sipush,ldc,ldc\_w,ldc2\_w,aconst\_null,iconst\_ml,iconst\_ <i>,iconst\_ <l>,fconst\_ <f>,dconst\_ <d>
 *  扩充局部变量表的访问索引指令 : wide

#### 2.运算指令 ####

运算或算数指令用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算,并将结果重新存入到操作栈顶

#### 3.类型转换指令 ####

类型转换指令可以将两种不同的数值类型进行相互转换,这些转换操作一般用于实现用户代码中的显式类型转换操作.

Java虚拟机直接支持(即转换时无须显式的转换指令)以下数值类型的宽化类型转换:int到long,float或者double类型; long到float,double类型; float到double类型

相对的,处理窄化类型转换时, 必须显式地使用转换指令来完成.

#### 4.对象创建与访问指令 ####

*  创建类实例指令 : new
 *  创建数组的指令 : newarray, anewarray, multianewarray
 *  访问类字段(static字段, 或称为类变量)和实例字段(非static字段) : getfield, putfield, getstatic, putstatic
 *  把一个数组元素加载到操作数栈的指令 : baload, caload, saload, iaload, laload, faload, daload,aaload
 *  讲一个操作数栈的值存储到数组元素中的指令 : bastore,castore,sastore,iastore,fastore,dastore,aastore
 *  取数组长度的指令 : arraylength

#### 5.操作数栈管理指令 ####

直接用于对操作数栈操作的指令

#### 6.控制转移指令 ####

控制转移指令可以让Java虚拟机有条件或无条件地从指定的位置指令而不是 控制转移指令的下一条指令继续执行程序,即可以无条件修改PC寄存器的值

#### 7.方法调用和返回指令 ####

*  invokevirtual指令用于调用对象的实例方法, 根据对象的实际类型进行分派(虚方法分派)
 *  invokeinterface指令用于调用接口方法,会在运行时搜索yield实现了这个接口方法的对象,找出适合的方法进行调用
 *  invokespecial指令用于调用一些需要特殊处理的实例方法,包括实例化方法,私有方法和父类方法
 *  invokestatic指令用于调用类方法
 *  invokedynamic指令用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法, 并执行该方法

#### 8.异常处理指令 ####

#### 9.同步指令 ####

Java虚拟机可以支持方法级的同步和方法内部一段指令序列的同步,这两种同步结构都是使用管程(Monitor)来支持的.

方法级的同步是隐式的,即无须通过字节码指令来控制,它实现在方法调用和返回操作中.

同步一段指令集序列通常是由sychronized语句块来表示的,Java虚拟机的指令集有monitorenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字的语义