[JVM]类（Class）文件结构

迈不过友情╰ 2022-05-09 08:16 231阅读 0赞

Java虚拟机类文件结构

一、无关性的基石

java通过java虚拟机实现一次编写，到处运行  
java 虚拟机不和包括java在内的任何语言绑定，它只与“class 文件”这种特定的二进制文件格式关联，class文件包含了Java虚拟机指令集  
和符号表以及其他辅助信息。

二、Class类文件的结构

1、Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑的排列在Class文件中，中间没有任何分隔符；  
当遇到占用8位字节以上的空间数据项时，会按照高位在前（大端）的方式分割成若干个8位字节进行存储。  
Class文件存储数据类型：无符号数和表  
无符号数：基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8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、  
数量值、活字符串值。

表：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，习惯以\_info结尾。

Class文件格式

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>类型</th> 
   <th>名称</th> 
   <th>数量</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>u4</td> 
   <td>magic（魔数：Class文件是否能被虚拟机接受）</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>minor_version（次版本号）</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>major_version（主版本号:jdk 1.7 51.0;1.6 50）</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>constant_pool_count（常量池容量）</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>cp_info</td> 
   <td>constant_pool(常量池:存放字面量(文本字符串等)、符号引用：类、接口全限定名，字段、方法名称和描述符)</td> 
   <td>constant_pool_count-1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>access_flag（访问标志:类还是接口；是否为public、abstract、final等）</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>this_class（类索引：确定该类全限定名）</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>super_class（父类索引：确定父类全限定名）</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>interfaces_count（接口索引集合容量）</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>interfaces（接口索引集合：描述该类实现了哪些接口）</td> 
   <td>interfaces_count</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>fields_count（字段表集合容量）</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>field_info</td> 
   <td>fields（字段表集合：描述变量，不包含局部变量）</td> 
   <td>fields_count</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>methods_count（方法集合容量）</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>method_info</td> 
   <td>methods（方法集合：描述方法）</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（属性表集合：描述某些场景专有信息,例如code属性存放方法中的java字节码指令）</td> 
   <td>attributes_count</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

方法里的Java代码，经过编译器编译成字节码指令后，存放在属性表集合中的Code属性里。

Code属性是Class文件中最重要的一个属性，如果把一个Java程序中的信息分为代码（Code,方法体里面的Java代码）和元数据（Metadata,包括  
类、字段、方法定义及其他信息）两部分，那么整个Class文件中，Code属性用于描述代码，所有的其他数据项目都用于描述元数据。

三、字节码指令

Java虚拟机的指令由一个字节长度的、代表特定操作含义的数字（操作码）以及跟随其后的操作所需参（操作数）数构成。

java虚拟机指令集所支持的数据类型

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>opcode(操作码)</th> 
   <th>byte</th> 
   <th>short</th> 
   <th>int</th> 
   <th>long</th> 
   <th>float</th> 
   <th>double</th> 
   <th>char</th> 
   <th>reference</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Tipush:将一个常量加载到操作数栈</td> 
   <td>bipush</td> 
   <td>sipush</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tconst</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>iconst</td> 
   <td>lconst</td> 
   <td>fconst</td> 
   <td>dconst</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>aconst</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tload:将一个局部变量加载到操作栈</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>iload</td> 
   <td>lload</td> 
   <td>fload</td> 
   <td>dload</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>aload</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tstore:将一个数值从操作数栈存储到局部变量表</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>istore</td> 
   <td>lstore</td> 
   <td>fstore</td> 
   <td>dstore</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>astore</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Taload:将一个数组元素加载到操作栈</td> 
   <td>baload</td> 
   <td>saload</td> 
   <td>iaload</td> 
   <td>laload</td> 
   <td>faload</td> 
   <td>daload</td> 
   <td>caload</td> 
   <td>aaload</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tastore:将一个数值从操作数栈存储到数组元素</td> 
   <td>basotre</td> 
   <td>sastore</td> 
   <td>iastore</td> 
   <td>lastore</td> 
   <td>fastore</td> 
   <td>dastore</td> 
   <td>castore</td> 
   <td>aastore</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tadd:加法指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>iadd</td> 
   <td>ladd</td> 
   <td>fadd</td> 
   <td>dadd</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tsub:减法指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>isub</td> 
   <td>lsub</td> 
   <td>fsub</td> 
   <td>dsub</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tmul:乘法指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>imul</td> 
   <td>lmul</td> 
   <td>fmul</td> 
   <td>dnul</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tdiv:除法指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>idiv</td> 
   <td>ldiv</td> 
   <td>fdiv</td> 
   <td>ddiv</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Trem:求余指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>irem</td> 
   <td>lrem</td> 
   <td>frem</td> 
   <td>drem</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tneg:取反指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>ineg</td> 
   <td>lneg</td> 
   <td>fneg</td> 
   <td>dneg</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tshl:左移指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>ishl</td> 
   <td>lshl</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tshr:右移指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>ishr</td> 
   <td>lshr</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tushr:符号右移指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>iushr</td> 
   <td>lushr</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tor:按位或指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>ior</td> 
   <td>lor</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tand:按位与指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>iand</td> 
   <td>land</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Txor:按位异或指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>ixor</td> 
   <td>lxor</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>i2T:类型转换</td> 
   <td>i2b</td> 
   <td>i2s</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>i2l</td> 
   <td>i2f</td> 
   <td>i2d</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>l2T:类型转换</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>l2i</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>l2f</td> 
   <td>l2d</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>f2T:类型转换</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>f2i</td> 
   <td>f2l</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>f2d</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>d2T:类型转换</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>d2i</td> 
   <td>d2l</td> 
   <td>d2f</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tcmp:比较指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>lcmp</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tcmpl:比较指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>fcmpl</td> 
   <td>dcmpl</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Tcmpg:比较指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>fcmpg</td> 
   <td>dcmpg</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>if_TcmpOP:控制转移指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>if_icmpOP</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Treturn:方法返回指令</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>ireturn</td> 
   <td>lreturn</td> 
   <td>freturn</td> 
   <td>dreturn</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>areturn</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

除表中指令外还有：

1、对方创建与访问指令：

*  创建类实例指令：new
 *  创建数组指令：newarray、anewarray、multianewarray
 *  访问类字段(static字段、或者称为类变量)和实例字段(非static字段，或者称为实例变量)指令：getfield、getstatic、putfield、putstatic
 *  取数组长度指令：arraylength
 *  检查类实例类型指令：instanceof、checkcast

2、操作数栈管理指令：直接操作操作数栈

*  将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈：pop、pop2
 *  复制栈顶一个或两个数字并将复制值双份的复制值重新压入栈顶：dup、dup2、dup\_x1、dup2\_x1、dup\_x2、dup2\_x2
 *  将栈顶端两个数值交换:swap

3、方法调用指令

*  invokevirtual：用于调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派
 *  invokeinterface：调用接口方法，在运行时搜索一个实现接口的方法对象，找出适合的方法进调用
 *  invokespecial：调用一下需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化方法、私有方法、父类方法
 *  invokestatic：调用类方法(static方法)
 *  invokedynamic：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；