5 字节码文件结构

99 学习总结

字节码文件结构总结

学习收获

理解字节码文件内容的结构
学会利用工具初步分析、看懂字节码文件的内容
字节码文件对比java文件
1. 它结构化为固定的内容格式
2. 借用常量池，复用源文件的存在的重复关键词。
3. 字节码文件包含了字节码指令，变成字节码的过程就是C语言：预处理-编译-的过程。

疑问和待解决

字节码文件是8字节为单位，但是编译出来的几个class文件大小都不是8的倍数

1 字节码文件结构

1.1 概述

字节码文件：是一组以8个字节为基础单位的二进制流，当需要存储空间超过8字节时，会按照高位在前的方式分割【大端法】成若干个8个字节进行存储。
数据类型可抽象为两种：“无符号数”和“表”。
无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值。（基本数据类型）。用以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数。
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，表的命名都以“_info”结尾
字节码文件结构不带分割符号

组成及空间占比如下：

1.2 关于“表”的说明

表是什么？

是字节码的两种数据类型之一
是一种复合数据类型
由一个或者的无符号数或者表组成
可以理解为Java对象：对象由多个属性组成，属性可以为基本数据类型，或者为对象类型

2 魔数

头4个字节，固定值为：0xCAFEBABE。
作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件

3 版本号

魔数的后继4个字节，第5和第6个字节是次版本号，第7和第8个字节是主版本号
作用是识别JDK版本

4 常量池

常量池的常量分为两种类型：字面量、符号引用两种

4.1 字面量

字面量比较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。

4.2 符号引用

以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量
目标包括这几类：

包（Package）
类和接口的全名
字段的名称和描述符
方法的名称和描述符
方法句柄和方法类型
动态调用点和动态常量

4.3 常量的表结构

常量池中每一项常量都是一个表，一共有17种表结构，因此一共有17种常量。17种常量类型如下所示：

4.3.1 表结构的属性解析

表结构，可以表示为：【属性：对应的值】，每种常量类型（表）都有一个或者多个属性，所有属性的解释如下：

tag：标志位，用于区分常量类型。
index：常量池的索引值，它指向常量池中另外一种类型常量。
length：该UTF-8编码的字符串长度是多少字节（只有CONSTANT_Utf8_info类型才有该属性）
bytes：表示 UTF-8_info、Float_info、integer_info 、Long_info、Double_info 等常量类型的值。
reference_kind：
reference：index：
descriptor_index:
.......

2.3.2 17种常量的表结构解析

表结构起始的第一位都是flag标志位

（JDK7增加的三种：CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_MethodType_info和 CONSTANT_InvokeDynamic_info，JDK11中又增加了第四种常量CONSTANT_Dynamic_info，在后续章节中详细解）

5 访问标志

用于识别一些类或者接口层次的访问信息。
在常量池之后，占据2个字节。

部分访问标志如下所示：

以 ByteCodeTest_1类为例子：

package com.minnesota.practice.test;
public final class ByteCodeTest_1 {
    public static void main(String[] args) {
    }
}

它符合这三点：

public类型
被声明为final
JDK1.2之后的编译器编译

因此它的访问标志（access_flags）为：ACC_PUBLIC+ACC_SUPER+ACC_FINAL，即 0x0001+0x0010+0x0020=0x0031。

访问标志计算：如果该标志为真，则使用其标志值，并将多个标志值相加

跟字节码结果一致

6 类索引、父类索引与接口索引集合

Class文件中由这三项数据来确定该类型的继承关系
类索引：用于确定这个类的全名
父类索引：用于确定这个类的父类的全名
接口索引集合：用来描述这个类实现了哪些接口 (按implements/extends后面从左到右顺序的接口集合)
类索引和父类索引都是占用2个字节存储，接口索引集合：由占据2字节的接口计数器，和索引表 两部分组成。如果该类没有实现任何接口，则该计数器值为0，后面接口的索引表不再占用任何字节

7 字段表集合

字段表：用来描述接口或类中声明的类变量(不包括局部变量）。
字段表集合由：访问标志、简名索引、及类型索引、属性集合四部分组成。
字段表集合中不会列出从父类或者父接口中继承而来的字段

如下所示：

7.1 访问标志

访问标志：access_flags，是指变量的信息，例如：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）、可否被序列化（transient修饰符）等信息。
访问标志的值如下：

7.2 简名索引

简单名称就是指不包含类型和参数修饰的变量名称，例如 private static final String DREAM = "byte dancing"，简单名称就是：DREAM。简单名称的值是指向常量池的一个索引

7.3 类型索引

描述符：描述字段的数据类型。根据描述符规则，基本数据类型（byte、char、double、float、int、long、short、boolean）以及代表无返回值的void类型都用一个大写字符来表示，而对象类型则用字符L加对象的全限定名来表示。该索引指向常量池
如下所示：

7.4 属性集合

包含属性数量、属性列表两部分，表示在该字段中添加一些扩展属性。
它属于表类型
它是非必须的。

8 方法表集合

方法表的结构如同字段表一样，依次包括访问标志（access_flags）、名称索引（name_index）、描述符索引（descriptor_index）、属性表集合（attributes）。如下所示

8.1 访问标志

如下图所示：

8.2 简名索引

规范跟字段的简名索引一样，例如main

8.3 描述符索引

指方法的返回类型
定义跟字段描述符一样

8.4 属性表集合

属性表集合也是包含属性数量和属性列表。

8.5 关于方法体代码的存储

方法里面的代码去哪里了？
方法里的Java代码，经过Javac编译器编译成字节码指令之后，存放在方法属性表集合中一个名为“Code”的属性里面，属性表作为Class文件格式中最具扩展性的一种数据项目

9 属性表集合

属性表集合是什么？

由多个属性组成
属性的数据类型为表
它是一种扩展空间，Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以描述某些场景专有的信息

属性的结构分为三部分：

名称	内存分配	存储内容	其他	英文表示
属性名称索引	2字节	指向常量池的一个索引	所有属性都有结构	attribute_name_index
属性长度	4字节	属性值占用的字节数	所有属性都有该结构	attribute_length
属性值		保存除了属性名称索引和属性长度外，其他组成部分，结构自定义		info

9.1 Code属性

Code属性：保存方法体代码编译后的字节码内容。
以下内容比较重要

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，那么在整个Class文件里，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

名称	代表意义	类型	内存分配
attribute_name_index	属性名称索引，指向常量池，该常量固定值为“Code”	无符号数	2字节
attribute_length	参考上面属性结构说明	无符号数	4字节
max_stack	操作数栈深度最大值，即该栈空间允许分配的最大字节数，例如该栈最多可存32个字节	无符号数	2字节
max_locals	局部变量表所需的存储空间，单位是变量槽（Slot），变量槽是虚拟机为局部变量分配内存所使用的最小单位	无符号数	2字节
code_length	字节码长度，理论上字节码最大可以为2^32 ，实际上最大只有2^16-1= 65535。即最大可容纳65535个字节码指令	无符号数	4字节
code	存储字节码指令的一系列字节流，编译器通过指令编码找到对应的指令，由指令来判断是否需要操作数以及如何解析操作数	无符号数	code_length的值
exception_length	异常表长度	无符号数	2字节
exception_table	异常表	表	exception_length的值

关于变量槽：
对于byte、char、float、int、short、boolean和 returnAddress等长度不超过32位的数据类型，每个局部变量占用1个变量槽，而double和long这两种64位的数据类型则需要2个变量槽来存放。

9.2 Exceptions属性

Exceptions属性的作用是列举出方法中可能抛出的受查异常，即方法描述时在throws关键字后面列举的异常
结构分析：略

9.3 LineNumberTable属性

用于描述Java源码行号与字节码行号（字节码的偏移量）之间的对应关系。
作用有两点：

当抛出异常时，堆栈将会显示出错的行号
并且在调试程序的时候，可以按照源码行来设置断点。

结构分析：略

9.4 LocalVariableTable

LocalVariableTable属性用于描述栈帧中局部变量表的变量与Java源码中定义的变量之间的关系。
作用：IDEA编辑中调用方法时会自动补充参数名称；debug时根据参数名称获取对应的值

如果没有生成这项属性，最大的影响就是当其他人引用这个方法时，所有的参数名称都将会丢失，譬如IDE将会使用诸如arg0、arg1之类的占位符代替原有的参数名，这对程序运行没有影响，但是会对代码编写带来较大不便，而且在调试期间无法根据参数名称从上下文中获得参数值

9.5 LocalVariableTypeTable

跟泛型有关，当泛型的参数化类型被擦除后，使用字段的特征签名来完成泛型的描述

9.6 SourceFile及SourceDebugExtension属性

SourceFile：记录生成这个Class文件的源码文件名称
SourceDebugExtension：JDK5新增的属性，用于存储额外的代码调试信息。

9.7 ConstantValue属性

作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值

9.8 InnerClasses属性

记录内部类与宿主类之间的关联。

9.9 所有29个属性概览

10 字节码文件实例分析

javap：用于分析Class文件字节码的工具，在JDK的bin目录中。
javap -verbose 输出字节码的内容。

测试的java代码：

package com.minnesota.practice.test;

public class ByteCodeTest {
    private static final String DREAM = "byte dancing";
    public static void main(String[] args) {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = a+b;
    }
}

ByteCodeTest.class 内容浏览：

javap -verbose ByteCodeTest.class 解析后：

javap -verbose ByteCodeTest.class

输出结果：
Classfile /路径脱敏/ByteCodeTest.class
  Last modified 2022-10-25; size 396 bytes
  MD5 checksum be72a2ed3bf8578da63968ce35880d3d
  Compiled from "ByteCodeTest.java"
public class com.minnesota.practice.test.ByteCodeTest
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#16         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #17            // com/minnesota/practice/test/ByteCodeTest
   #3 = Class              #18            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               DREAM
   #5 = Utf8               Ljava/lang/String;
   #6 = Utf8               ConstantValue
   #7 = String             #19            // byte dancing
   #8 = Utf8               <init>
   #9 = Utf8               ()V
  #10 = Utf8               Code
  #11 = Utf8               LineNumberTable
  #12 = Utf8               main
  #13 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #14 = Utf8               SourceFile
  #15 = Utf8               ByteCodeTest.java
  #16 = NameAndType        #8:#9          // "<init>":()V
  #17 = Utf8               com/minnesota/practice/test/ByteCodeTest
  #18 = Utf8               java/lang/Object
  #19 = Utf8               byte dancing
{
  public com.minnesota.practice.test.ByteCodeTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_1
         1: istore_1
         2: iconst_2
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 2
        line 8: 4
        line 9: 8
}
SourceFile: "ByteCodeTest.java"

详细的字节码文件内容分析，待续

posted @ 2022-10-25 20:35 拿了桔子跑-范德依彪阅读(197) 评论(0) 编辑收藏举报

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