前言

实现语言无关性的基础是虚拟机和字节码存储格式。Java虚拟机不与任何程序语言绑定,它只与Class文件这种特定的二进制文件格式所关联。Class文件中包含了Java虚拟机指令集,符号表以及若干其他辅助信息。

Class文件结构

任何一个Class文件对应着唯一的一个类或者接口的定义信息,Class文件是一组以八个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,中间没有任何分隔符,Class文件只有两种类型:无符号数

  • 无符号数属于基本数据类型,以u1,u2,u4,u8分别代表1/2/4/8个字节的无符号数,无符号数用来描述数字,索引引用,数量值。
  • 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。

魔数

Class文件的头4个字节被称为魔数,它的唯一作用就是确定这个文件是否为一个能被JVM接受的Class文件,魔数的十六进制表示为0xCAFEBABE

版本信息

紧接着魔数的4个字节的是版本信息,第5-6字节是次版本号,7-8字节是主版本号,表示Class文件使用的JDK版本。
高版本的JDK能向下兼容,但是不能向上兼容。

常量池

版本信息之后是常量池入口,常量池主要存放两大类常量:字面量符号引用

常量池中常量的数量是不固定的,所以在入口需要放置一项u2类型的数据,代表常量池容量计数值。

字面量接近于常量概念,如字符串、被声明为final的值。
符号引用属于编译原理方面的概念:主要包括:

  • 被模块导出或开放的包
  • 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
  • 方法句柄和方法类型
  • 动态调用点和动态产量

常量池的每个常量都是一个表,共有17钟不同类型的常量。表开始的第一位是个u1类型的标志位,代表当前常量属于哪种常量类型。

17种常量类型:

类型 tag 描述
CONSTANT_utf8_info 1 UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info 3 整型字面量
CONSTANT_Float_info 4 浮点型字面量
CONSTANT_Long_info 5 长整型字面量
CONSTANT_Double_info 6 双精度浮点型字面量
CONSTANT_Class_info 7 类或接口的符号引用
CONSTANT_String_info 8 字符串类型字面量
CONSTANT_Fieldref_info 9 字段的符号引用
CONSTANT_Methodref_info 10 类中方法的符号引用
CONSTANT_InterfaceMethodref_info 11 接口中方法的符号引用
CONSTANT_NameAndType_info 12 字段或方法的符号引用
CONSTANT_MethodHandle_info 15 表示方法句柄
CONSTANT_MethodType_info 16 标识方法类型
CONSTANT_InvokeDynamic_info 18 表示一个动态方法调用点



对于 CONSTANT_Class_info(此类型的常量代表一个类或者接口的符号引用),它的二维表结构如下:

类型 名称 数量
u1 tag 1
u2 name_index 1

tag 是标志位,用于区分常量类型;name_index 是一个索引值,它指向常量池中一个 CONSTANT_Utf8_info 类型常量,此常量代表这个类(或接口)的全限定名,这里 name_index 值若为 0x0002,也即是指向了常量池中的第二项常量。



CONSTANT_Utf8_info 型常量的结构如下:

类型 名称 数量
u1 tag 1
u2 length 1
u1 bytes length

tag 是当前常量的类型;length表示这个字符串的长度;bytes 是这个字符串的内容(采用缩略的 UTF8 编码)

访问标志

常量池结束后,紧接着的两个字节表示访问标志,用来识别一些类或者接口层次的访问信息,包括:这个Class是类还是接口,是否定义为public类型,是否定义为abstract类型,是否被final修饰。

类索引,父类索引,接口索引集合

类索引和父类索引都是一个u2类型的数据,而接口索引集合是一组u2类型的数据集合,Class文件由这三项数据来确定该类的继承关系,类索引用来确定这个类的父类的全限定名。,父类索引只有一个,除了java.lang.Object之外,所有的Java类都有父类。接口索引集合用来描述这个类实现了哪些接口,这些接口按implements关键字后面的顺序从左到右排列在接口索引集合内。接口索引集合的第一项为u2类型的数据,表示索引表的容量,接下来就是接口的名字索引。

类索引,父类索引引用两个u2类型的索引值标识,它们各自指向一个类型为 CONSTANT_Class_info 的类描述符常量,通过该常量总的索引值可以找到定义在 CONSTANT_Utf8_info 类型的常量中的全限定名字符串。

字段表集合

字段表用来描述接口或者类种声明的变量,包括实例变量和类变量,但是不包括方法中的局部变量。
每个字段表只表示一个变量,本类中所有的成员变量构成字段表集合,字段表结构如下所示:

类型 名称 数量 说明
u2 access_flags 1 字段的访问标志,与类稍有不同
u2 name_index 1 字段名字的索引
u2 descriptor_index 1 描述符,用于描述字段的数据类型。 基本数据类型用大写字母表示; 对象类型用“L 对象类型的全限定名”表示。
u2 attributes_count 1 属性表集合的长度
u2 attributes attributes_count 属性表集合,用于存放属性的额外信息,如属性的值。

方法表集合

对方法的描述和对字段的描述采取了几乎完全一致的方式。依次包括访问标志,名称索引,描述符索引,属性表集合。

因为volatile关键字和transient关键字不能修饰方法,所以方法表的访问标志中没有这两项。

属性表集合

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。

属性表结构如下:

类型 名称 数量
u2 attribute_name_index 1
u4 attribute_length 1
u1 info attribute_length

本博客所有文章除特别声明外,均采用 CC BY-SA 4.0 协议 ,转载请注明出处!

JVM之字节码指令(七) 上一篇
JVM之内存分配策略(五) 下一篇