字节码初探

字节码初探

java文件在经过编译器编译后会生成.class文件，那么这个类型的文件内容或者格式是什么样子的呢？

注意，任何一个class文件都存着对应的唯一一个类或接口定义的信息，但是类和接口并不一定定义在class文件中，例如可以动态生成直接进入类加载器。

每个类都会生成一个class文件，即使一个java文件有多个类也会为每一个类都生成一个class文件

class文件中的数据类型

u2代表两个字节的无符号数，以此类推u1， u4， u8

class文件中的数据没有分隔符，采用大端存储，所以对每一个数据都要严格排序

 u4 magic;
 u2 minor_version;
 u2 major_version;
 u2 constant_pool_count;
 cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
 u2 access_flags;
 u2 this_class;
 u2 super_class;
 u2 interfaces_count;
 u2 interfaces[interfaces_count];
 u2 fields_count;
 field_info fields[fields_count];
 u2 methods_count;
 method_info methods[methods_count];
 u2 attributes_count;
 attribute_info attributes[attributes_count];

  1. 首先是一个class文件的标准开头0XCAFEBABE（魔数），不是该字符串起始的class文件jvm都不编译；

  2. 次版本号和主版本号，可以向下兼容编译，即高版本可以编译低版本的class文件；

  3. 常量池：（JDK13前）

    每一个常量都是一个表来描述，目前一共有17个不同的常量类型,主要包括：

    • 被模块导出的或者开放的包（package）

    • 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

    • 方法的句柄和方法类型

    • 动态调用点和动态常量（不懂，待补充）

    常量池中的所有表项：

    在这里插入图片描述

    img

    img

    img

    eg：CONSTANT_Methodref_info这个表中就包括

    1. tag-对应该表的类别，用以以后根据类别确定表里的信息

    2. index-指向对应的CONSTANT_class_info表，即该方法属于哪一个类（CONSTANT_class_info储存一个tag与一个指向类的全限定名的index）

    3. index-指向对应的CONSTANT_NameAndType_info表类型（内有tag，指向字段或方法的名称索引，指向字段或方法描述符的索引。

    其他表或嵌套表或自成一派，皆以此类推。

    此处要注意，java没有在编译的时候进行链接这一步，只会在虚拟机加载class文件的时候进行动态链接，也就是说，class文件并不会保存各个方法、字段在内存中的布局信息，不经过编译器运行时的转换无法获得真正的内存入口地址。（此处涉及到类加载机制，待补充到下一篇文章)。

    1. 访问标志

    用于识别一些类或接口的访问信息，比如public、final等，还有是类类型还是接口类型。

    一共有16个标志位可以使用，但是目前只定义了九个。

    1. 类索引，父类索引和接口索引的集合

    类索引和父类索引分别用一个u2类型的数据结构表示，各自指向一个常量池中的CONSTANT_Class_info类型中的全限定名称，接口索引集合首先记录集合接口的数量，再指向每一个CONSTANT_Class_info（猜测）

    1. 字段表集合（field_info)

    该字段包括类级变量以及实例中的变量，不包括方法中的局部变量。-

    一. access_flags描述：描述类中或者接口中的变量。是一个u2的数据类型，每一个位代表一个bool值，比如：

    • 字段的作用域；

    • 类变量还是实例变量；

    • 可变性（final）

    • 并发可见性（volatile）

    • 能否被序列化（transient）

    • 字段数据类型（基本数据类型，对象，数组）

    • 字段名称

    二. name_index and descriptor_index:

    都是对常量池的引用，分别对应简单名称描述符（都是u2）

    字段和方法的描述符：用来描述数据类型，方法的参数列表，返回值，基本数据类型和void用一个大写字符表示，对象类型用大写L加上对象的全限定名表示。对于数组类型，用每一个维度用前置的[字符来描述。

    描述符描述方法的时候，按照先参数列表，再返回值的顺序描述。不会列出从父类或父接口中继承来的字段，但是编译器有可能新加指向外面的字段。

    三. （u2）attributes_count 和（attribute_info）attributes

    descriptor_index后面可以跟的属性表集合，可以描述一个或者多项附加信息。

    字段表中不会出现父类或者父接口中继承而来的字段信息，但是可能代码中不存在的字段信息（例如内部类为了访问外部增加外部的实例）

    字段不可以重载，类中的字段名称必须都不一样

    1. 方法表集合

    与字段表集合类似，但是没有volatile和transient字段，也可能会增加一些额外的方法。

    另外，在java文件的特征签名（一个方法中各个参数在常量池中引用的集合）来验证是否是重载，由于返回值不包含在特征签名中，所以无法依靠返回值不同对一个方法进行重载。但是class文件中的特征前面是包括返回值的，也就是说只要返回值不同就可以同存在与一个class文件中。

    方法里面的代码放入到Code属性中

    1. 属性表集合

    用以描述class文件、字段表、方法表中的额外信息属性表的总体结构:

    对于每一个属性，他的名称都要从常量池中引入一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量表示，而属性的结构这是自定义的，只需要一个length说明属性的长度。

    名称类型属性
    u2 attribute_name_index 1
    u4 attribute_length 1
    u1 info attribute_length

      attribute_info又可细分为以下21种(即《Java虚拟机规范(Java SE 7)》中预定义了的21项虚拟机实现应当能识别的属性)：

    属性名称使用位置含义
    Code 方法表中 Java代码编译成的字节码指令(即：具体的方法逻辑字节码指令)
    ConstantValue 字段表中 final关键字定义的常量值
    Deprecated 类 中、方法表中、字段表中 被声明为deprecated的方法和字段
    Exceptions 方法表中 方法声明的异常
    LocalVariableTable Code属性中 方法的局部变量描述
    LocalVariableTypeTable 类中 JDK1.5中新增的属性，它使用特征签名代替描述符，是为了引入泛型语法之后能描述泛型参数化类型而添加
    InnerClasses 类中 内部类列表
    EnclosingMethod 类中 仅当一个类为局部类或者匿名类时，才能拥有这个属性，这个属性用于表示这个类所在的外围方法
    LineNumberTable Code属性中 Java源码的行号与字节码指令的对应关系
    StackMapTable Code属性中 JDK1.6中新增的属性，供新的类型检查验证器(Type Checker)检查和处理目标方法的局部变量和操作数栈所需要的类型是否匹配
    Signature 类中、方法表中、字段表中 JDK1.5新增的属性，这个属性用于支持泛型情况下的方法签名，在Java语言中，任何类、接口、初始化方法或成员的泛型签名如果包含了类型变量(Type Variables)或参数类型(Parameterized Types),则Signature属性会为它记录泛型签名信息。由于Java的泛型采用擦除法实现，在为了避免类型信息被擦除后导致签名混乱，需要这个属性记录泛型中的相关信息
    SourceFile 类中 记录源文件名称
    SourceDebugExtension 类中 JDK1.6中新增的属性，SourceDebugExtension用于存储额外的调试信息。如在进行JSP文件调试时，无法通过Java堆栈来定位到JSP文件的行号，JSR-45规范为这些非Java语言编写，却需要编译成字节码运行在Java虚拟机汇中的程序提供了一个进行调试的标准机制，使用SourceDebugExtension就可以存储这些调试信息。
    Synthetic 类中、方法表中、字段表中 标识方法或字段为编译器自动产生的
    RuntimeVisibleAnnotations 类中、方法表中、字段表中 JDK1.5中新增的属性，为动态注解提供支持。RuntimeVisibleAnnotations属性，用于指明哪些注解是运行时(实际上运行时就是进行反射调用)可见的。
    RuntimeInvisibleAnnotations 类中、方法表中、字段表中 JDK1.5中新增的属性，作用与RuntimeVisibleAnnotations相反用于指明哪些注解是运行时不可见的。
    RuntimeVisibleParameterAnnotations 方法表中 JDK1.5中新增的属性，作用与RuntimeVisibleAnnotations类似，只不过作用对象为方法的参数。
    RuntimeInvisibleParameterAnnotations 方法表中 JDK1.5中新增的属性，作用与RuntimeInvisibleAnnotations类似，只不过作用对象为方法的参数。
    AnnotationDefault 方法表中 JDK1.5中新增的属性，用于记录注解类元素的默认值
    BootstrapMethods 类中 JDK1.7新增的属性，用于保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符

    • Code属性

    方法体内的代码经过javac编译之后成为字节码储存在code属性中，接口或者抽象类不存在code属性，

    code属性结构表：

    名称类型数量作用
    attribute_name_index u2 1 CONSTANT_Utf8_info
    attribute_length u4 1  
    max_stack u2 1 操作数栈最大深度，jvm站分配参考
    max_locals u2 1 局部变量表所需的储存空间
    code_length u4 1 字节码长度（jvm中只支持u2长度的函数）
    code u1 code_length 每个指令对应一个u1（最多有256种指令）
    exception_table_length u2 1  
    exception_table exception_info exception_table_length  
    attribute_count u2 1  
    attributes attribute_info attribute_count  

    局部变量表可能引入的参数：

    方法参数，包括this
    显示处理异常的参数
    方法体中定义的局部变量
    ······

    任何实例方法中都会有一个this参数指向方法所属对象，在虚拟机调用实际方法的时候将this传进去。局部变量表中也会有预留出一个变量槽存放对象实例的引用。而static方法中没有该参数。

异常表格式：

 

类型名称数量
u2 start_pc 1
u2 end_pc 1
u2 handler_pc 1
u2 catch_type 1

当从 start_pc行（相对于方法体的偏移量）到end_pc行（不包括）如果出现了catch_type(指向一个CONSTANT_Class_info)或者其子类的异常,则转到handler_pc行进行处理。

注意：每段分支之后的代码都将用finally代码重复一次，比如try之后加一段finally代码，catch之后也会有一段finally代码。

  • Exeptions属性

与Code属性平级，，列出方法中可能会出现的受查异常。也就是throws抛出的异常。

名称类型数量
attribute_name_index u2 1
attribute_length u4 1
number_of_exceptions u2 1
exception_index_table u2 number_of_exceptions

  • LIneNumberTable属性

描述源码行号与字节码行号的属性。不是默认的属性，可以使用-g：none或者-g：lines关闭。

名称类型数量
attribute_name_index u2 1
attribute_length u4 1
line_number_table_length u2 1
line_number_table line_number_info line_number_table_length

line_number_info包含start_pc和line_number两个u2类型的数据项，前者是字节码行号，后者是源码行号。

如果关闭了抛出异常的时候就不会显示抛出异常的行号。

 

  • LocalVariableTable和LocalVariableTypeTable属性

LocalVariableTable描述栈帧中局部变量表与Java源码中定义的变量的关系，其中也有包括改变了在字节码中作用域范围（用start_pc与length一同决定）

LocalVariableTypeTable可以用作记录泛型类型的一个属性。记录局部变量表中的泛型

 

  • SourceFile与SourceDebugExtension属性

SourceFile记录生成这个class文件源码文件的名称

一个类最多存在一个SourceDebugExtension属性，用于额外的代码调试信息。

 

  • ConstantValue属性

通知虚拟机自动为静态变量赋值。

  1. 对于非static的变量在实例构造器<init>中赋值

  2. Oracle实现的机制是：

    1. 同时使用static和final修饰。并且数据类型是String或者基本数据类型的化就是用ConstantValue来初始化。

    2. 没有被final修饰或者是其他类型会选择在<clinit>中初始化。

     

  • InnerClass属性

    InnerClass属性用于记录内部类与宿主类之间的关联

    名称类型数量
    attribute_name_index u2 1
    attribute_length u4 1
    number_of_class u2 1
    inner_classes inner_classes_info number_of_class

    number_of_classes代表记录了多少个内部类信息，每一个内部类信息都由一个inner_classes_info表进行描述。inner_classes_info结构为：

    名称类型数量
    inner_class_info_index u2 1
    outer_class_info_index u2 1
    inner_name_index u2 1
    inner_class_access_flags u2 1

 

  • Deprecated和Synthetic属性

只存在有和没有的区别

通过@Deprecate注解使用，代表某个类、字段或者方法已经被弃用

Synthetic是由编译器自行添加的，生成源代码中的一些不存在的方法、字段甚至是整个类，通过这种方式实现了越权发个文。比如枚举类中自动生成的枚举元素数组和嵌套类的桥接方式，所有不属于用户产生的类、方法、字段都应该设置Synthetic，除了init和clinit方法。

 

  • StackMaptable属性

在类加载的验证作用，在编译期间将一系列的验证类型直接记录在class文件中，通过检验这些验证类型从而省去了类型推导的过程，提升字节码的验证能力，一个方法的code属性最多有一个StackMapTable类型，没错，该类型用以修饰Code属性。

 

  • Signature

可选的定长属性，可出现在类、字段、方法表的属性中。

泛型签名如果包含了类型变量或参数化类型，SIgnature会为他记录泛型类型签名信息

  • BootstrapMethods

保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符,常量池中如果出现CONSTANT_InvokeDynamic_info类型的变量那么后面必须有BootstarpMethods属性（只能有一个）

 BootstrapMethods_attribute {
     u2 attribute_name_index;
     u4 attribute_length;
     u2 num_bootstrap_methods;
     {   u2 bootstrap_method_ref;//必须是一个CONSTANT_MethodHandle_info结构
         u2 num_bootstrap_arguments;
         u2 bootstrap_arguments[num_bootstrap_arguments];
     } bootstrap_methods[num_bootstrap_methods];
 }

 

  • MethodParameters

记录方法中各个形参的名称信息，可以通过反射api获取。

  • 模块化相关的属性

包括Module、ModulePackages、ModuleMainClass三个属性用来支持java的模块化属性。

  1. Module： 除了该模块的名称、版本、标志信息、模块requires、exports、opens、uses、provides定义的全部内容

  2. ModulePackages 描述该模块中所有的包

  3. ModuleMainClass 描述该模块的主类

  • 运行时注解的相关属性

    例如RuntimeVisibleAnnotations记录了类、字段、方法的声明上记录运行时可见的注解。

 

字节码指令简介

byteshortintlongdoublefloatcharreference
bi si i l d f ci a

 

  • 很多Boolean、char、byte、short类型的操作实际上使用int的指令操作的

  • 加载和储存指令

    1. 将局部变量加载到操作栈：iload、iload_<n>(代表iload0，iload1--iloadn这几个指令)……

    2. 将一个数值从操作数栈储存到局部变量表：istore、istore_n……

    3. 将一个常量加载到操作数栈：bipush、ldc、ldc_w、aconst_null……

    4. 扩充局部变量表的访问索引的指令：wide

  • 运算指令：

    1. xadd

    2. xsub

    3. xmul

    4. xdiv

    5. 求余：xrem

    6. 取反：xneg

    7. 位移指令：xshl

    8. 按位或指令：xor

    9. 按位与指令：xand

    10. 按位异或指令：xxor

    11. 局部自增指令：xinc

    12. 比较指令：xcmpg、xcmpl

  • 类型转换指令： 强制：x2y

  • 对象创建指令

  • 操作数栈管理指令

  • 控制转移指令

  • 方法调用和返回指令

  • 异常指令

  • 同步指令

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posted @ 2022-03-14 22:42  码虫垒起代码之城  阅读(212)  评论(0)  编辑  收藏  举报