java虚拟机原理:Class字节码二进制文件分析

目录

• 一、字节码文件 与 JVM
• 二、字节码文件示例
• 三、字节码文件二进制结构分析
• 1、魔数
• 2、次版本号
• 3、主版本号
• 4、常量池个数
• 总结

一、字节码文件 与 JVM

Java 源码编译成 Class 字节码 ;

Java 虚拟机 可以被认为是一个 解释器 , 解释编译后的 Class 字节码文件 , 最后在不同的操作系统中运行 ;

Android 虚拟机 不是 Java 规范的 虚拟机 , 有一些根据嵌入式设备进行的定制的实现 ;

Class 字节码 本质上就是 二进制数据 , 运行时 , 会被 类加载器 加载到 Java 虚拟机内存的 方法区 中 ; 同时 创建 Class 对象 ;

( Java 虚拟机内存分为 : 堆区 , 方法区 , 栈 , 本地方法栈 , 程序计数器 )

由于要将 Class 字节码文件 加载到 JVM 内存的 方法区 中 , 要占用一定的内存空间 , 这里要求 Class 字节码文件 , 越小越好 ;

二、字节码文件示例

Java 源代码如下 :

public class Student {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

使用 javac 命令将 Student.java 源码编译成 Student.class字节码文件 :

javac Student.java

字节码文件二进制数据分析 :

使用二进制查看工具查看 Student.class 字节码文件 , 这些二进制数值对应的就是 JVM 指令 ;

CA FE BA BE 00 00 00 34 00 15 0A 00 04 00 11 09
00 03 00 12 07 00 13 07 00 14 01 00 04 6E 61 6D
65 01 00 12 4C 6A 61 76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 53
74 72 69 6E 67 3B 01 00 06 3C 69 6E 69 74 3E 01
00 03 28 29 56 01 00 04 43 6F 64 65 01 00 0F 4C
69 6E 65 4E 75 6D 62 65 72 54 61 62 6C 65 01 00
07 67 65 74 4E 61 6D 65 01 00 14 28 29 4C 6A 61
76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 53 74 72 69 6E 67 3B 01
00 07 73 65 74 4E 61 6D 65 01 00 15 28 4C 6A 61
76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 53 74 72 69 6E 67 3B 29
56 01 00 0A 53 6F 75 72 63 65 46 69 6C 65 01 00
0C 53 74 75 64 65 6E 74 2E 6A 61 76 61 0C 00 07
00 08 0C 00 05 00 06 01 00 07 53 74 75 64 65 6E
74 01 00 10 6A 61 76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 4F 62
6A 65 63 74 00 21 00 03 00 04 00 00 00 01 00 02
00 05 00 06 00 00 00 03 00 01 00 07 00 08 00 01
00 09 00 00 00 1D 00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7
00 01 B1 00 00 00 01 00 0A 00 00 00 06 00 01 00
00 00 01 00 01 00 0B 00 0C 00 01 00 09 00 00 00
1D 00 01 00 01 00 00 00 05 2A B4 00 02 B0 00 00
00 01 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 05 00 01
00 0D 00 0E 00 01 00 09 00 00 00 22 00 02 00 02
00 00 00 06 2A 2B B5 00 02 B1 00 00 00 01 00 0A
00 00 00 0A 00 02 00 00 00 09 00 05 00 0A 00 01
00 0F 00 00 00 02 00 10

使用

javap -v Student.class

命令 , 生成上述字节码文件的 附加信息 ;

命令行输出 :

D:\jvm>javap -v Student.class
Classfile /D:/jvm/Student.class
  Last modified 2021-9-4; size 392 bytes
  MD5 checksum 8b9bb897bb8cf2a8addf04be5b7b915f
  Compiled from "Student.java"
public class Student
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#17         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#18         // Student.name:Ljava/lang/String;
   #3 = Class              #19            // Student
   #4 = Class              #20            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               name
   #6 = Utf8               Ljava/lang/String;
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               getName
  #12 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #13 = Utf8               setName
  #14 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #15 = Utf8               SourceFile
  #16 = Utf8               Student.java
  #17 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #18 = NameAndType        #5:#6          // name:Ljava/lang/String;
  #19 = Utf8               Student
  #20 = Utf8               java/lang/Object
{
  public Student();
    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 1: 0
  public java.lang.String getName();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field name:Ljava/lang/String;
         4: areturn
      LineNumberTable:
        line 5: 0
  public void setName(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: putfield      #2                  // Field name:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 5
}
SourceFile: "Student.java"

下面开始逐个字节解析上述字节码文件 ;

三、字节码文件二进制结构分析

分析字节码二进制文件时 , 可以参考 javap -v Student.class 命令输出的字节码附加信息进行理解 ;

1、魔数

magic ( 魔数 ) : 4 4 4 字节 , CA FE BA BE , 所有的 Class 字节码都是以 CafeBabe 信息开头的 ;

2、次版本号

minor_version ( 次版本号 ) : 2 2 2 字节 , 00 00 , 次版本号是 0 0 0 ; 对应字节码附加信息中的 minor version: 0 ;

3、主版本号

major_version ( 主版本号 ) : 2 2 2 字节 , 00 34 , 主版本号是 52 52 52 ; 对应字节码附加信息中的 major version: 52 ;

• 这个主版本号 52 对应 JDK 版本的 1.8 版本 ;
• 51 对应 1.7 ;
• 53 对应 1.9 ;
• 45 对应 1.0 ;

4、常量池个数

constant_pool_count ( 常量池个数 ) : 2 2 2 字节 , 00 15 , 常量池个数是 21 21 21 个 ; 由于 JVM 占用了默认的常量池 #0 , 因此实际上的常量个数是 21 − 1 21 - 1 21−1 个 , 需要对这个数减一处理 ;

字节码附加信息中 常量池参考 , 有 20 20 20 个常量池 ; #0 常量池 , 被 JVM 占用了 , 代表了一个空引用 , 不指向任何位置 ;

Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#17         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#18         // Student.name:Ljava/lang/String;
   #3 = Class              #19            // Student
   #4 = Class              #20            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               name
   #6 = Utf8               Ljava/lang/String;
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               getName
  #12 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #13 = Utf8               setName
  #14 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #15 = Utf8               SourceFile
  #16 = Utf8               Student.java
  #17 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #18 = NameAndType        #5:#6          // name:Ljava/lang/String;
  #19 = Utf8               Student
  #20 = Utf8               java/lang/Object

总结

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