學會閱讀Java字節碼

1.Class文件基礎

 

（1）文件格式

 

 

Class文件的結構不像XML等描述語言那樣松散自由。由於它沒有任何分隔符號，

所以，以上數據項無論是順序還是數量都是被嚴格限定的。哪個字節代表什么

含義，長度是多少，先后順序如何，都不允許改變。

 

（2）數據類型

 

仔細觀察上面的Class文件格式，可以看出Class文件格式采用一種類似於C語言

結構體的偽結構來存儲，這種偽結構中只有兩種數據類型： 無符號數和表。

無符號數就是u1、u2、u4、u8來分別代表1個、2個、4個、8個字節。表是由

多個無符號數或其他表構成的復合數據類型，以“_info”結尾。在表開始位置，

通常會使用一個前置的容量計數器，因為表通常要描述數量不定的多個數據。

 

下圖表示的就是Class文件格式中按順序各個數據項的類型：

 

 

（3）兼容性

 

高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但不能運行以后版本的Class文件，

即使文件格式未發生任何變化。舉例來說，JDK 1.7中的JRE能夠執行JDK 1.5編譯

出的Class文件，但是JDK 1.7編譯出來的Class文件不能被JDK 1.5使用。這就是

target參數的用處，可以在使用JDK 1.7編譯時指定-target 1.5。

 

 

2.一個簡單的例子

package com.cdai.jvm.bytecode;

public class ByteCodeSample {

    private String msg = "hello world";

    public void say() {
        System.out.println(msg);
    }

}

編譯成Class文件后的樣子：

 

 

 

3.逐個字節分析

 

（1）魔數和版本號

 

 

前四個字節（u4）cafebabe就是Class文件的魔數，第5、6字節（u2）是Class文件的

次版本號，第7、8字節（u2）是主版本號。十六進制0和32，也就是版本號為50.0，

即JDK 1.6。之前介紹的target參數會影響這四個字節的值，從而使Class文件兼容不同

的JDK版本。

 

（2）常量池

 

 

常量池是一個表結構，並且就像之前介紹過的，在表的內容前有一個u2類型的計數器，

表示常量池的長度。十六進制23的十進制值為35，表示常量池里有下標為1~34的表項。

下標從1開始而不是0，是因為第0個表項表示“不引用常量池中的任意一項”。每個表項

的第一個字節是一個u1類型，表示12中數據類型。具體含義如下：

 

 

以第一項 07 00 02為例，07表示該常量是個CONSTANT_Class_info類型，緊接着一個u2

類型的索引執行第2項常量。再看第二項 01 00 24 63 6f 6d 2f ... 65表示的就是字符串

類型，長度為36（十六進制00 24），緊接着就是UTF-8編碼的字符串"com/cdai/jvm/bytecode

/ByteCodeSample"。很容易讀懂吧？常量池主要是為后面的字段表和方法表服務的。

 

下面是通過javap解析后常量池的全貌（執行 javap -c -l -s -verbose ByteCodeSample）

 

  Constant pool:
const #1 = class        #2;     //  com/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample
const #2 = Asciz        com/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;
const #3 = class        #4;     //  java/lang/Object
const #4 = Asciz        java/lang/Object;
const #5 = Asciz        msg;
const #6 = Asciz        Ljava/lang/String;;
const #7 = Asciz        <init>;
const #8 = Asciz        ()V;
const #9 = Asciz        Code;
const #10 = Method      #3.#11; //  java/lang/Object."<init>":()V
const #11 = NameAndType #7:#8;//  "<init>":()V
const #12 = String      #13;    //  hello world
const #13 = Asciz       hello world;
const #14 = Field       #1.#15; //  com/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample.msg:Ljava/lang/String;
const #15 = NameAndType #5:#6;//  msg:Ljava/lang/String;
const #16 = Asciz       LineNumberTable;
const #17 = Asciz       LocalVariableTable;
const #18 = Asciz       this;
const #19 = Asciz       Lcom/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;;
const #20 = Asciz       say;
const #21 = Field       #22.#24;        //  java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
const #22 = class       #23;    //  java/lang/System
const #23 = Asciz       java/lang/System;
const #24 = NameAndType #25:#26;//  out:Ljava/io/PrintStream;
const #25 = Asciz       out;
const #26 = Asciz       Ljava/io/PrintStream;;
const #27 = Method      #28.#30;        //  java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
const #28 = class       #29;    //  java/io/PrintStream
const #29 = Asciz       java/io/PrintStream;
const #30 = NameAndType #31:#32;//  println:(Ljava/lang/String;)V
const #31 = Asciz       println;
const #32 = Asciz       (Ljava/lang/String;)V;
const #33 = Asciz       SourceFile;
const #34 = Asciz       ByteCodeSample.java;          

 

（3）訪問標志

 

 

 

顯然，00 21表示的就是公有的類。

 

（4）類、父類、接口

 

 

這三個u2類型的值分別表示類索引1、父類索引3、接口索引集合0。查看之前的常量池，

第1項為"com/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample"，第3項為"java/lang/Object"。第0項

表示此類沒有實現任何接口，這也就是常量池第0項的作用！

 

（5）字段表

 

 

00 01表示有1個字段。00 02是字段的訪問標志，表示private權限的。00 05是字段的名稱

索引，指向常量池里第5項"msg"。00 06是字段的 描述符索引，指向常量池里的第6項

"Ljava/lang/String"。最后的00 00表示該字段沒有其他 屬性表了。

 

描述符的作用就是用來描述字段的數據類型、方法的參數列表和返回值。而屬性表就是為

字段表和方法表提供額外信息的表結構。對於字段來說，此處如果將字段聲明為一個static

final msg = "aaa"的常量，則字段后就會跟着一個屬性表，其中存在一項名為ConstantValue，

指向常量池中的一個常量，值為的"aaa"。

 

屬性表不像Class文件中的其他數據項那樣具有嚴格的順序、長度和內容，任何人實現的編譯器

都可以向屬性表中寫入自己定義的屬性信息，JVM會忽略掉它不認識的屬性。后面的方法表中

還要用到屬性表的Code屬性，來保存方法的字節碼。

 

（6）方法表

 

 

00 02表示有兩個方法。00 01是方法的訪問標志，表示公有方法。00 07和00 08與字段表中的名稱

和描述符索引相同，在這里分別表示"<init>"和"()V"。00 01表示該方法有屬性表，屬性名稱為00 09

即我們前面提到的Code屬性。

 

要注意的是：Code屬性表也可以有自己的屬性，如后面的LocalVariableTable和LineNumberTable。

它們分別為JVM提供方法的棧信息和調試信息。

 

以下是javap解析后的結果：

 

public com.cdai.jvm.bytecode.ByteCodeSample();
  Signature: ()V
  LineNumberTable:
   line 3: 0
   line 5: 4
   line 3: 10

  LocalVariableTable:
   Start  Length  Slot  Name   Signature
   0      11      0    this       Lcom/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;


  Code:
   Stack=2, Locals=1, Args_size=1
   0:   aload_0
   1:   invokespecial   #10; //Method java/lang/Object."<init>":()V
   4:   aload_0
   5:   ldc     #12; //String hello world
   7:   putfield        #14; //Field msg:Ljava/lang/String;
   10:  return
  LineNumberTable:
   line 3: 0
   line 5: 4
   line 3: 10

  LocalVariableTable:
   Start  Length  Slot  Name   Signature
   0      11      0    this       Lcom/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;


public void say();
  Signature: ()V
  LineNumberTable:
   line 8: 0
   line 9: 10

  LocalVariableTable:
   Start  Length  Slot  Name   Signature
   0      11      0    this       Lcom/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;

  Code:
   Stack=2, Locals=1, Args_size=1
   0:   getstatic       #21; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   3:   aload_0
   4:   getfield        #14; //Field msg:Ljava/lang/String;
   7:   invokevirtual   #27; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   10:  return
  LineNumberTable:
   line 8: 0
   line 9: 10

  LocalVariableTable:
   Start  Length  Slot  Name   Signature
   0      11      0    this       Lcom/cdai/jvm/bytecode/ByteCodeSample;          

 

4.小結

 

怎么樣並不難吧！接下來我們將要學習下如何用字節碼工具如ASM、CGLIB來手寫

字節碼，從而加深對字節碼的理解。