干货！直击JVM底层 —— Java Class字节码文件解析

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caofeng2012 2021-07-23 14:45:49

文章标签 java 文章分类 Java 后端开发

前言

最近在研究Java的反射和动态代理，发现使用这两个Java神器需要了解.class文件的字节码。于是翻阅了相关资料，在这篇博客中进行一番整理，也作为自己学习的记录。

如何阅读class文件

Java的可移植性是基于.java文件编译后形成的唯一的字节码文件.class文件可以在不同操作系统上的jvm运行的机制。.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。

当程序员编译了.java文件后，在指定的路径下会生成一个.class文件，使用editplus可以直接以Hex viewer的格式打开.class文件

ClassTest.java

package com.classloader;
public class ClassTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello,World!");
    }
}

ClassTest.class

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要想能读懂class文件这种生肉干货，首先要理解.class文件中的一些基本概念

基本概念

无符号数&表

无符号数是一种基本的数据类型，通常用u1,u2,u4,u8代表1、2、4、8个字节的无符号数。
无符号数是用来描述数字、索引引用、数量值或者UTF-8编码的字符串值，可以称作是.class文件的基本组成单位

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表是由多个无符号数或其他表构成的复合数据类型，整个.class文件的本质就是一个表。（表大都习惯性的以_info结尾）

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无论是无符号数，还是表，当需要描述同一类型但数量不定的多数据的时候，经常会使用一个位置的容量计数器加若干个连续的数据项的形式。

常量池

魔数（magic number) & 版本号

每个.class文件的头四个字节被称为“魔数”，其作用是确定该.class文件是否为一个能被HOTSPOT虚拟机接收的.class文件

魔数后面的四个字节是版本号，第五和第六个字节是“次版本号”，第七和第八个字节是“主版本号”。
Java的版本号是从45开始的，自jdk1.1之后的每个jdk大版本发布的主版本号都向上+1，并且高版本的jdk能向下兼容以前版本的.class文件。（注意：hex viewer下，.class文件中的数字都是16进制数）

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常量池

在主版本号后面的是常量池入口，常量池是.class文件结构中与其他项目关联最多的数据类型，也是占用.class文件空间最大的数据项目之一。
由于常量池中的常量的数量是不固定的，所以常量池的入口需要放置一项u2类型的数据，代表常量池容量计数。这个容量计数是从1开始的（有别于传统的程序员计数法则）。

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上图中的.class文件的常量池计数是34，由于从1开始，所以常量的个数是33（十六进制的22是十进制的34）。也就是说，从计数位之后的33个表，都是表示常量的。

常量池中主要存放两大类常量：字面量（literal）和字符引用（Symbolic References)。
字面量比较接近于Java语言层的常量概念，例如文本字符串、被声明为final的常量值等等。
字符引用包括三类变量：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。

刚刚提到过，常量池中的每一个常量都是一个表，一共11种结构各不相同的表，这些表都有一个共同的特点，开始的第一位是一个u1类型的标志位，代表当前这个常量属于哪种类型。（具体查看【查阅表格】）

总而言之，查看常量的方法就是：

1.第一个字节为tag 查看常量池类型表找到对应的类型
2.找到对应结构的表，找到tag之后属于常量的其他无符号数

访问标志

常量池结束后，紧接着的两个字节表示访问标志（access_flags）。这个标志用来识别一些类或接口层次的访问信息，包括：这个classs是实体类还是接口；是否定义为public；是否是抽象类；是否为final类等等。
具体访问标志的映射详见【查阅表格】

类引索&父类引索&接口引索集合

类引索（this_class）和父类引索（super_class）都是一个u2类型的数据，接口引索集合是一组u2类型的数据集合。
在访问标志之后，紧接着是类引索、父类引索，共占据4个字节。他们各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量，通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型常量中的全限定名字符串。