四 JVM字节码文件结构深度剖析

一 解读class文件

1.1 java源码如下

package com.tuling.smlz.jvm.classbyatecode;

public class TulingByteCode {
    
    

    private String userName;

    public String getUserName() {
    
    
        return userName;
    }

    public void setUserName(String userName) {
    
    
        this.userName = userName;
    }
}

上边的java文件编译后会生成对应的class文件：TulingByteCode .class

class文件打开如下

这里显示乱码，需要给notpad++安装HEX-Editor插件（16进制查看器）

选择HEX-Editor后点击安装

重启后点击这里使用插件打开即可
结果如下

通过16进制查看器打开的文件结构是一个当个字节来显示，因为一个16进制数可以通过4位来表示,一个字节8位可以表示二个16进制数

1.2 javap -verbose 命令

我们通过javap -verbose TulingByteCode .class命令(或者javap -c TulingByteCode .class)，对class文件反编译，反编译后我们就能读懂了；

反编译后可以将结果写入txt里：

javap -c TulingByteCode .class > javap -c TulingByteCode .txt

1.2.1 在idea里查看class文件

右键class文件，选择open in Terminal

执行命令：javap -verbose TulingByteCode .class或者javap -c TulingByteCode .class

1.2.2 在电脑自带的Powershell里查看class文件

右键class文件，在本地目录里找到class文件

在空白处，按下shift键不放，点击鼠标右键，选择"在此处打开Powershell窗口"

执行命令：javap -verbose TulingByteCode .class或者javap -c TulingByteCode .class

上图里的全部内容如下

//表示我们通过反编译的来源是哪个字节码文件
PS E:\study\demoo\target\classes\main\java\com\example\demoo\test> javap -verbose .\TestDynamicLoad.class
  //最后修改日期；文件大小
 Last modified 2021-7-3; size 896 bytes
  //文件的md5值
  MD5 checksum a0a9c001787f00738627278b0946a388
  //.class文件是通过哪个源文件编译过来的
  Compiled from "TulingByteCode.java"
  //字节码的详细信息
public class com.tuling.smlz.jvm.classbyatecode.TulingByteCode
  //jdk的次版本号
  minor version: 0
  //jdk的主版本号
  major version: 52
  //访问权限
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  //常量池
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#21         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#22         // com/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode.userName:Ljava/lang/String;
   #3 = Class              #23            // com/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode
   #4 = Class              #24            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               userName
   #6 = Utf8               Ljava/lang/String;
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode;
  #14 = Utf8               getUserName
  #15 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #16 = Utf8               setUserName
  #17 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #18 = Utf8               MethodParameters
  #19 = Utf8               SourceFile
  #20 = Utf8               TulingByteCode.java
  #21 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #22 = NameAndType        #5:#6          // userName:Ljava/lang/String;
  #23 = Utf8               com/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode
  #24 = Utf8               java/lang/Object
{
    
     
  //构造方法
  public com.tuling.smlz.jvm.classbyatecode.TulingByteCode();
    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 6: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode;
  //get方法
  public java.lang.String getUserName();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field userName:Ljava/lang/String;
         4: areturn
      LineNumberTable:
        line 11: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode;
  //set方法
  public void setUserName(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 userName:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 15: 0
        line 16: 5
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       6     0  this   Lcom/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode;
            0       6     1 userName   Ljava/lang/String;
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      userName
}
SourceFile: "TulingByteCode.java"

1.3 解读class源文件

通过16进制查看器打开的文件结构是一个单个字节来显示，因为一个16进制数可以通过4位来表示,一个字节8位可以表示二个16进制数

Class文件结构参照表:

Class文件结构伪代码

我们通过javap -verbose来分析一个字节码的时候，将会分析字节码文件的魔数,主/次版本号,常量池，类信息，类的构造方法，类的中的方法信息，类变量与成员变量等信息.

1.3.1 魔数

文件的开头的 四个字节 是固定 值位 0xCAFEBABE

1.3.2 次版本号(minor version)

两个字节00 00 表示jdk的次版本号

1.3.3 主版本号(major version)

两个字节 00 34 表示为jdk的主版本号，十六进制的34对应十进制为52(3*16+4=52)，52代表的版本是jdk1.8，51代表的是1.7 等等一直类推下去

所以通过主次版本号来确定我们jdk的版本是1.8.0

1.3.4 常量池入口

占用两个字节,表示常量池中的个数=00 19 ,(25)-1=24个, 为啥需要-1，因为常量池中的第0个位置被我们的jvm占用了表示为null 所以我们通过编译出来的常量池索引是从1开始的,即实际只有24个常量

Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#21         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#22         // com/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode.userName:Ljava/lang/String;
   #3 = Class              #23            // com/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode
   #4 = Class              #24            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               userName
   #6 = Utf8               Ljava/lang/String;
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode;
  #14 = Utf8               getUserName
  #15 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #16 = Utf8               setUserName
  #17 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #18 = Utf8               MethodParameters
  #19 = Utf8               SourceFile
  #20 = Utf8               TulingByteCode.java
  #21 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #22 = NameAndType        #5:#6          // userName:Ljava/lang/String;
  #23 = Utf8               com/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode
  #24 = Utf8               java/lang/Object

1.3.4.1 常量池结构表如图所示

u1,u2,u4,u8分别代表1个字节,2个字节,4个字节,8个字节的无符号数


class常量池类型分类

1.3.4.2 常量池存放内容

我们的常量池可以看作我们的java class类的一个资源仓库(比如Java类定的方法和变量信息),我们后面的方法 类的信息的描述信息都是通过索引去常量池中获取。

常量池中主要存放两种常量,一种是字面量 一种是符号引用

1.3.4.3 在JVM规范中，每个字段或者变量都有描述信息,描述信息的主要作用是 数据类型，方法参数列表,返回值类型等.

1. 基本参数类型和void类型都是用一个大写的字符来表示，对象类型是通过一个大写L加全类名表示，这么做的好处就是在保证jvm能读懂class文件的情况下尽量的压缩class文件体积.
   基本数据类型表示:
   B---->byte
   C---->char
   D---->double
   F----->float
   I------>int
   J------>long
   S------>short
   Z------>boolean
   V------->void
   对象类型:
   String------>Ljava/lang/String;(后面有一个分号)
   对于数组类型: 每一个唯独都是用一个前置 [ 来表示
   比如: int[] ------>[ I,
   String [][]------>[[Ljava.lang.String;
2. 用描述符来描述方法的,先参数列表，后返回值的格式，参数列表按照严格的顺序放在()中
   比如源码 String getUserInfoByIdAndName(int id,String name) 的方法描述符号
   （I,Ljava/lang/String;）Ljava/lang/String;

1.3.5 分析常量池

1.3.5.1 第1个常量池分析

0A 00 04 00 15 

0A:表示是常量池中的常量类型为方法引用
0A是十六进制，换算为十进制代表10，在1.3.4.1章节里右下角找到10对应的含义

图片放大后：

可以看到u1、u2、u2共五个字节，所以第一个常量池是0A 00 04 00 15共五位

发现10对应的是方法的常量

00 04两个字节表示的是方法所在的类 ，指向常量池的索引位置为#4,然后我们发现#4的常量类型是Class，也是符号引用类型，指向常量池#24的位置,而#24是的常量池类型是字面量值为:java/lang/Object

00 15二个字节表示是方法的描述符，指向常量池索引#21(16+5=21)的位置,我们发现#21的常量类型是"NameAndType类型"属于引用类型，指向常量池的#7 #8位置

#7常量类型是UTF-8类型属于字面量值为:<init> 为构造方法
#8常量也是UTF-8类型的字面量值为:()V
所以常量池中的第一个常量是：java/lang/Object."<init>":()V
画图分析:

1.3.5.2 第2个常量池分析

09 00 03 00 16

09表示的是我们的 CONSTANT_Methodref_info 字段类型的常量，可以看到u1、u2、u2共五个字节，所以第二个常量池是09 00 03 00 16共五位

00 03表示的class_index 表示是常量池中第三个 为我们的class常量的索引位置

00 16:表示该字段的名称和类型 指向我们常量池中索引为22(16+6=22)的位置

解释:03表示指向常量池第三个位置,我们发现第三个位子是Class类型的常量，03位置的常量池应用指向的是#23的位置，而我们的#23常量池类型是utf-8表示是字面量，值为:com/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode

#22为常量池类型的nameAndType类型，分别指向我们的常量池第#5(utf-8类型的常量)的位置表示我们的字段的名称userName，#6指向的是常量池第六个位置,类型是utf-8类型的值为:Ljava/lang/String;

第二个常量com/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode.userName:Ljava/lang/String;

画图分析:

1.3.5.3 第3个常量池分析

07 00 17 

发现只有u1、u2共三个字节，所以第三个常量池是07 00 17 三位

第一个字节:07表示的是 class_info符号引用类型的常量
第二三个字节: 00 17表示的是指向常量池中索引为23(16+7=23)的位置
#23的常量池类型是utf8字面量
那么utf8_info的结构如下:

第#23的常量的结构是
其中 01表示utf8_info的常量类型
00 31：表示后面跟着49个字节是字面量的值
01 00 31 63 6F 6D 2F 74 75 6C 69 6E 67 2F 73 6D 6C
7A 2F 6A 76 6D 2F 63 6C 61 73 73 62 79 61 74 65
63 6F 64 65 2F 54 75 6C 69 6E 67 42 79 74 65 43
6F 64 65

1.3.5.4 第4个常量池分析

07 00 18

又是07开头，和第三个常量一样；
第一个字节:07表示的是 class_info符号引用类型的常量
第二三个字节: 00 18表示的是指向常量池中索引为24(16+8=24)的位置，#24的常量池类型是utf8字面量，那么utf8_info的结构如下:

01 00 10 6A 61 76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 4F 62 6A 65 63 74
其中 01表示utf8_info的常量类型
00 10：表示后面跟着16个字节是字面量的值
6A 61 76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 4F 62 6A 65 63 74 字面量的值为:java/lang/Object

以此类推，大家即可得到其他常量池的含义

二 Class文件结构访问标识符号解析 Access_flag

解析我们的class文件是类还是接口，是否定义为public的,是否是abstract,是否被final修饰。

访问标志符号占用二个字节: 00 21

我们发现这个class文件的访问标识字节是0x0021，我们去查询手册中查询没有这个对应的？

原因:jvm规范并没有穷举出所以的类型 而是通过位运算的出来的.

0x0021 = 0x0020 位运算 0x0001 那么我们可以得出这个class的访问权限是ACC_PUBLIC 和ACC_SUPER

三 This class name的描述当前的所属类

this class name 占用二个字节:00 03 表示索引 指向的是常量池中的第三个常量

根据第1.3.5章节常量池分析得出第三个常量分析得出如下

所以我们的this class name：表示当前类 com/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/TulingByteCode

四 super class name （当前class的父类名字）

同样占用二个字节:00 04 也是表示索引值，指向常量池中第四个常量

根据第三部分常量池的分析第四个常量池得出.

所以我们的super class name表示的意思是: java/lang/Object

五 接口信息

标注：我们的当前class没有实现接口，为了演示效果这里用的另外一个类演示； 这个类我们实现了两个接口 分别为ITulingIntf ITulingIntf


00 02表示我们实现了几个接口 这里很明星我们是实现了二个接口；
00 08(第一个接口) 表示的是接口的位于常量池中的索引.#8；

所以00 08指向的接口是:com/tuling/smlz/jvm/classbyatecode/ITulingIntf
00 09（第二个接口）表示的是接口的位于常量池中的索引#9

六 字段表信息

作用:用于描述类和接口中声明的变量，包括类变量和实例变量，但是不包括方法的局部变量
紧紧的接着接口信息后面的是字段描述 00 01 00 02 00 05 00 06 00 00 00 01 二个字节表示的是field_info字段表的个数，这里很显然只有一个

字段结构体

00 02 00 05 00 06 00 00
所以00 02 表示访问修饰符号为ACC_PRIVATE
所以00 05 表示的是字段的名称 指向的是常量池中第五个常量

所以00 06是我们的字段的描述符: 指向的是常量池中第六个常量

00 00 表示是属性表的个数 这里为0表示后面是没有属性表集合
通过jclasslib分析和我们自己分析的出来的结论一致

七 方法表信息分析

00 03 表示我们的方法的个数为三个

方法表结构:如下

第一个方法的前八个字节 00 01 00 07 00 08 00 01

00 01:表示的是方法的修饰符 表示的是acc_public

00 07：表示的是方法的名称 表示指向常量池中第7个常量,表示方法的名称
表示构造方法

00 08：方法的描述符号,表示指向常量池第八个常量 为()V 表示的是无参无返回值

00 01表示有一个方法属性的个数

八 方法表中的属性表attribute_info结构图

00 09 00 00 00 2F
00 09：表示的是方法属性名称的索引指向常量池#9 表示是Code属性

00 00 00 2F 标识的info的长度 长度值为47个字节 也就是说 会占据47个字节作为code的值
后续的47个字节是我们的Code属性的所占用的字节 (特别特别需要注意这47个字节从Code属性表中第三个开始也就是max_stack开始)
code_attribute属性表结构如下


00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00
(max_stack)表示的是我们最大操作数栈的深度为1

00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00
(max_locals)标识的是局部变量表变量的个数

00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00
(Code_lenth)四个字节表示的是我们指令的长度为五

字节码指令助记符号 2A B7 00 01 B1
0x2A:对应的字节码注记符是aload_0,作用就是把当前调用方法的栈帧中的局部变量表索引位置为0的局部变量推送到操作数栈的栈顶.
0xB7:表示是 invokespecial 调用父类的方法 那么后面需要接入二个字节表示调用哪个方法 所以 00 01 表示的是指向常量池中第一个位置为为如下结构


0xB1 对应的字节码指令值retrun 表示retrun void from method；

异常信息表的个数为 00 00 表示方法没有抛出异常
00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

表示Code_attribute结构中属性表的个数为00 02 表示为2个
00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

LineNumberTable结构体为下图

00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00
这二个字节表示的是我们属性名称的索引attribute_name_index指向常量池中的00 0A #10个常量池

attribute_length:属性的长度占用四个字节: 表示后面00 00 00 06 六个字节是我们属性的内容
00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

这里的00 01 表示的是有几对指令码和源码映射关系 这里明显只有一对
00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00
这里表示 第一个指令码映射的是第六行源码

LocalVariableTable 本地方法变量表结构分析

00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00
本地变量表的名称的索引指向attribute_name_index的是常量池11的位置:

本地变量表中属性的长度attribute_length:12长度
00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00
本地变量表local_variable_table_length的个数
00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

local_vabiable_info的结构

start_pc:这个局部变量的生命周期开始的字节码偏移量 占用二个字节
00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

length:作用范围覆盖的长度 占用二个字节
00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

name_index:表示局部变量的名称 二个字节
00 0C表示指向常量池12的位置
00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

desc_index:表示局部变量描述符索引 二个字节
00 0D表示指向常量池13的位置
00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

index:index是这个局部变量在栈帧局部变量表中Slot的位置。当这个变量数据类型是64位类型时（double和long），它占用的Slot为index和index+1两个
00 01 00 01 00 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 06 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

第二个方法的字节码

00 01 00 0E 00 0F 00 01 00 09 00 00 00 2F 00 01 00 01 00 00 00 05 2A B4 00 02 B0 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 0B 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

方法访问标记符号:
0x0001我们根据访问权限修饰符号查询可得 访问权限是ACC_PUBLIC
00 01 00 0E 00 0F 00 01 00 09 00 00 00 2F 00 01 00 01 00 00 00 05 2A B4 00 02 B0 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 0B 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

方法名称: 00 0E指向常量池中#14的位置
00 01 00 0E 00 0F 00 01 00 09 00 00 00 2F 00 01 00 01 00 00 00 05 2A B4 00 02 B0 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 0B 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

方法描述符号:00 0F 指向我们的常量池#15的位置
00 01 00 0E 00 0F 00 01 00 09 00 00 00 2F 00 01 00 01 00 00 00 05 2A B4 00 02 B0 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 0B 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

方法表属性个数 00 01 表示一个
00 01 00 0E 00 0F 00 01 00 09 00 00 00 2F 00 01 00 01 00 00 00 05 2A B4 00 02 B0 00 00 00 02 00 0A 00 00 00 06 00 01 00 00 00 0B 00 0B 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 05 00 0C 00 0D 00 00

方法结构体中的attribute_info的结构体

更多内容访问：https://note.youdao.com/ynoteshare1/index.html?id=a21875fd4ab6e14a445d07e750cc6930&type=note