java虛擬機原理:Class字節(jié)碼二進制文件分析

更新時間：2021年09月09日 09:12:47 作者：韓曙亮

class文件全名稱為Java class文件，主要在平臺無關性和網(wǎng)絡移動性方面使Java更適合網(wǎng)絡。它在平臺無關性方面的任務是：為Java程序提供獨立于底層主機平臺的二進制形式的服務。下面我們來詳細解讀下它吧

一、字節(jié)碼文件與 JVM

Java 源碼編譯成 Class 字節(jié)碼 ;

Java 虛擬機可以被認為是一個解釋器 , 解釋編譯后的 Class 字節(jié)碼文件 , 最后在不同的操作系統(tǒng)中運行 ;

Android 虛擬機不是 Java 規(guī)范的虛擬機 , 有一些根據(jù)嵌入式設備進行的定制的實現(xiàn) ;

Class 字節(jié)碼本質(zhì)上就是二進制數(shù)據(jù) , 運行時 , 會被類加載器加載到 Java 虛擬機內(nèi)存的方法區(qū) 中 ; 同時創(chuàng)建 Class 對象 ;

( Java 虛擬機內(nèi)存分為 : 堆區(qū) , 方法區(qū) , 棧 , 本地方法棧 , 程序計數(shù)器 )

由于要將 Class 字節(jié)碼文件加載到 JVM 內(nèi)存的方法區(qū) 中 , 要占用一定的內(nèi)存空間 , 這里要求 Class 字節(jié)碼文件 , 越小越好 ;

二、字節(jié)碼文件示例

Java 源代碼如下 :

public class Student {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

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

使用 javac 命令將 Student.java 源碼編譯成 Student.class字節(jié)碼文件 :

javac Student.java

字節(jié)碼文件二進制數(shù)據(jù)分析 :

使用二進制查看工具查看 Student.class 字節(jié)碼文件 , 這些二進制數(shù)值對應的就是 JVM 指令 ;

在這里插入圖片描述

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 , 生成上述字節(jié)碼文件的附加信息 ;

命令行輸出 :

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"

在這里插入圖片描述

下面開始逐個字節(jié)解析上述字節(jié)碼文件 ;

三、字節(jié)碼文件二進制結(jié)構(gòu)分析

分析字節(jié)碼二進制文件時 , 可以參考 javap -v Student.class 命令輸出的字節(jié)碼附加信息進行理解 ;

1、魔數(shù)

magic ( 魔數(shù) ) : 4 4 4 字節(jié) , CA FE BA BE , 所有的 Class 字節(jié)碼都是以 CafeBabe 信息開頭的 ;

在這里插入圖片描述

2、次版本號

minor_version ( 次版本號 ) : 2 2 2 字節(jié) , 00 00 , 次版本號是 0 0 0 ; 對應字節(jié)碼附加信息中的 minor version: 0 ;

在這里插入圖片描述

3、主版本號

major_version ( 主版本號 ) : 2 2 2 字節(jié) , 00 34 , 主版本號是 52 52 52 ; 對應字節(jié)碼附加信息中的 major version: 52 ;

這個主版本號 52 對應 JDK 版本的 1.8 版本 ;
51 對應 1.7 ;
53 對應 1.9 ;
45 對應 1.0 ;

在這里插入圖片描述

4、常量池個數(shù)

constant_pool_count ( 常量池個數(shù) ) : 2 2 2 字節(jié) , 00 15 , 常量池個數(shù)是 21 21 21 個 ; 由于 JVM 占用了默認的常量池 #0 , 因此實際上的常量個數(shù)是 21 − 1 21 - 1 21−1 個 , 需要對這個數(shù)減一處理 ;

在這里插入圖片描述

字節(jié)碼附加信息中常量池參考 , 有 20 20 20 個常量池 ; #0 常量池 , 被 JVM 占用了 , 代表了一個空引用 , 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

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關注腳本之家的更多內(nèi)容！

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