1.流程

• 創(chuàng)建 HelloWorld.java
  代碼如下
  package jvm;

    /**
     * @author lidiqing
     * @since 2017/3/4.
     */
    public class HelloWorld {
    
        private final String text = "Hello World!";
    
        public HelloWorld() {
        }
    
        public String getText() {
            return text;
        }
    }
  

• 編譯成 HelloWorld.class

• 使用 javap -verbose HelloWorld.class輸出字節(jié)信息
  

  javap輸出

• 使用 winhex 查看二進制數(shù)據(jù)
  
  winhex輸出

2.結(jié)構(gòu)詳解

2.1 Class 文件格式

2.1.1 概述

結(jié)構(gòu)：Class 文件 == 8位字節(jié)為單位的二進制流 == 無符號數(shù) + 表

• u2, u4 => 無符號數(shù)利术，代表2個字節(jié)，u4 代表4個字節(jié)
• xxx_info => 表捐康，無符號數(shù)或其他表構(gòu)成椅棺，整個 class 就是一張表
  • cp_info 常量表
  • field_info 字段表
  • method_info 方法表
  • attribute_info 屬性表

特點：

• 不依賴于任何操作系統(tǒng)
• 數(shù)據(jù)存儲使用大端字節(jié)序

文件格式：

2.2 魔數(shù)和版本

2.2.1 概述

• 魔數(shù)
  唯一作用：確認該文件能被虛擬機接受
  類加載過程中的驗證階段曹步，會判斷該 Magic

• 版本號和編譯器 JDK 有關(guān)

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

魔術(shù)和版本對應數(shù)據(jù)

• magic
  固定值：0xCAFEBABY

• minor_version
  次版本號：0x0000

• major_version
  主版本號：0x0034

2.2.3 表

Class 文件的版本表

2.3 常量池（常量表集合）

2.3.1 概述

特點：

• Class 文件的資源倉庫
• Class 文件中和其他項目關(guān)聯(lián)最多
• Class 文件中最大的數(shù)據(jù)項目之一

主要類型：

• 字面量梯码，語言層面的常量宁玫，如文本字符串固惯，final常量（如字符串 'HelloWorld!'）
• 符號引用亲桥，編譯層面的常量
  • 類和接口的全限定名（如 jvm/HelloWorld）
  • 字段的名稱和描述符 (如 jvm/Helloworld/text:Ljava/lang/String;)
  • 方法的名稱和描述符（如 java/lang/Object."<init>":()V）

作用：

無論是字段表穴张、方法表還是屬性表，只要涉及到一些常量或者描述两曼，都會有個索引指向該表的某個位置

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

在 class 中的二進制數(shù)據(jù)

常量池的二進制數(shù)據(jù)

• constant_pool_count => 0x19
  容量計數(shù)皂甘，常量表從 1 開始計數(shù)，所以 0x19 只有 0x18 個常量悼凑，十進制 24 個常量
  這樣的話偿枕，如果因為其他地方用了索引為 0，常量為空户辫，比如 java.lang.Object 對象是所有類的基類渐夸，父索引為 0

• constant_pool
  對照 2.3.3 的常量池結(jié)果總表來進行分析，直接用 javap 輸出 24 個常量如下

    Constant pool:
       #1 = Methodref          #5.#20         // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = String             #21            // Hello World!
       #3 = Fieldref           #4.#22         // jvm/HelloWorld.text:Ljava/lang/String;
       #4 = Class              #23            // jvm/HelloWorld
       #5 = Class              #24            // java/lang/Object
       #6 = Utf8               text
       #7 = Utf8               Ljava/lang/String;
       #8 = Utf8               ConstantValue
       #9 = Utf8               <init>
      #10 = Utf8               ()V
      #11 = Utf8               Code
      #12 = Utf8               LineNumberTable
      #13 = Utf8               LocalVariableTable
      #14 = Utf8               this
      #15 = Utf8               Ljvm/HelloWorld;
      #16 = Utf8               getText
      #17 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
      #18 = Utf8               SourceFile
      #19 = Utf8               HelloWorld.java
      #20 = NameAndType        #9:#10         // "<init>":()V
      #21 = Utf8               Hello World!
      #22 = NameAndType        #6:#7          // text:Ljava/lang/String;
      #23 = Utf8               jvm/HelloWorld
      #24 = Utf8               java/lang/Object    
  

Methodref渔欢，是方法的符號引用墓塌，比如虛擬機調(diào)用 invokespecial 指令會用到，比如該類的初始化方法字節(jié)碼指令中有這么一條

    1: invokespecial #1

這樣會實例化 #1 的方法，而 #1 是 java.lang.Object 的初始化方法苫幢，所以該指令執(zhí)行了 Object 的初始化
Fieldref访诱，是字段的符號引用，比如虛擬機調(diào)用 putfield 指令會去解析該符號引用

    7: putfield #3    

這樣的話會把該符號引用對應的變量韩肝，設置為棧幀中的值
NameAndType触菜，字段或者方法的描述，有名稱和描述符組合起來
Class哀峻，表示一個類的全限定名
String涡相，表示一個字符串常量
Utf8，使用 utf-8 格式編碼的字符串剩蟀，最后其他類型的常量都會指向這些值催蝗，這是最基本的常量值

Class 文件加載后，常量池的字面量和符號引用會被存入方法區(qū)育特，多個線程共享丙号。方法區(qū)又稱為永久帶，GC 基本不在方法區(qū)進行垃圾回收且预。但也會有槽袄，比如一些廢棄的常量和無用的類

2.4 訪問標志

2.4.1 概述

識別類或接口層次的訪問信息

u2類型=2個字節(jié)=16位可用烙无，目前只定義了8個锋谐，可見后面的訪問標志表

2.4.2 數(shù)據(jù)分析

在 class 中的二進制信息

訪問標志二進制數(shù)據(jù)

• access_flags

該值為 0x21 = 0x01| 0x20

0x01 => ACC_PUBLIC
0x20 => ACC_SUPER

對照訪問標志表，可知是一個普通的 public 類
使用 JDK 1.0.2 之后編譯出來的類的 ACC_SUPER 均為真

2.4.3 訪問標志表

2.5 索引集合

2.5.1 概述

分為三種類型用來確定整個類的繼承關(guān)系迂苛，屬于類的元數(shù)據(jù)

• 類索引（this_class）
• 父類索引（super_class）
• 接口索引集合（interfaces）

根據(jù)規(guī)則三热，每個類只能有一個父類，但可以有多個接口
而更特殊的 java.lang.Object 是沒有父類的三幻，畢竟是所有類的基類就漾，所以有且僅有 Object 類的父類索引為 0

2.5.2 數(shù)據(jù)分析

在 class 中的二進制信息

索引集合二進制數(shù)據(jù)

• this_class => 0x0004
  這里指向常量池第4個常量，為 Class念搬，全限定名為 jvm/HelloWorld
  使用 javap 解析到的數(shù)據(jù)

    Constant pool
        #4 = Class      #23
        #23 = Utf8      jvm/HelloWorld
  

這個索引用來表示該類的全限定名

• super_class => 0x0005
  常量池第5個常量抑堡，為 Class，全限定名為 java/lang/Object
  使用 javap 解析到的數(shù)據(jù)

    Constant pool
        #5 = Class      #24
        #24 = Utf8      java/lang/Object    
  

這個索引用來表示該類父類的全限定名朗徊，所以該類的父類就是 java/lang/Object

• interfaces_count => 0x0000
  接口數(shù)量為 0
  因為沒有實現(xiàn)任何接口

• interfaces
  因為接口數(shù)量為 0首妖，所以后面沒有接口數(shù)據(jù)

2.6 字段表集合

2.6.1 概述

范圍：包含類級、實例級變量爷恳，不包括方法內(nèi)部聲明的局部變量

信息：

使用標記表示

• 作用域
  • public
  • private
  • protect
• static 實例變量還是類變量
• final 可變性
• volatile 并發(fā)可見性
• transient 可被序列化

用常量表示

• 字段數(shù)據(jù)類型（基本類型有缆、對象、數(shù)組）
• 字段名稱

2.6.2 數(shù)據(jù)分析

字段表集合二進制數(shù)據(jù)

• fields_count => 0x0001
  有一個字段

• fields
  從 fields_count 知道只有一個字段，查表可以得到 field_info 各個部分為：
  access_flags => 0x0012=0x0010|0x0002
  根據(jù)字段訪問標志可知棚壁，這是個 private 和 final 型屬性
  name_index => 0x0006
  索引對應常量池第6個常量杯矩，名為 “text”

    Constant pool
        #6 = Utf8       text    
  

descriptor_index => 0x0007
索引對應常量池第7個常量，所以描述符為 “Ljava/lang/String;”

    Constant pool
        #6 = Utf8       Ljava/lang/String;  

attribute_count => 0x0001
所以該字段有一個屬性灌曙，接下來就是詳細的 attribute_info 數(shù)據(jù)菊碟，表示該字段的屬性
attribute_name_index => 0x0008
索引對應常量池第8個常量，屬性名稱為 “constantvalue”

    Constant pool
        #8 = Utf8       constantvalue    

該屬性用來通知虛擬機自動為靜態(tài)變量賦值在刺。這個發(fā)生在類的加載過程中的初始化階段逆害。關(guān)于類變量，初始化的時候會給默認值蚣驼，但如果有 Constantvalue 屬性魄幕，就會用這個屬性的值來對類變量進行初始化
attribute_length => 0x00000002
constantvalue 的該值固定為 2，因為后面需要 u2 類型的數(shù)據(jù)來指向常量池颖杏，表示該 constantvalue 的值
constantvalue_index => 0x0002纯陨，索引對應常量池第2個常量，值為 “Hello World留储！”

    Constant pool
        #2 = String     #21
        #21 = Utf8      Hello World!    

實際上翼抠，用代碼進行比較的話，上面字段對應 Java 源碼為

    private final String text = "Hello World!";    

在編譯成 class 文件后获讳，我們可以解析到這樣的結(jié)果

    flags: ACC_PRIVATE ACC_FINAL
    name: text
    descriptor: Ljava/lang/String;
    attributes:
        constantvalue:HelloWorld!

在 Java 中用 static 和 final 修飾的字段阴颖，即該類的常量字段。在 Java 編譯階段的常量傳播優(yōu)化中丐膝，如果 B 只引用了 A 的常量量愧，編譯后 A 的常量會被轉(zhuǎn)化為 B 的常量，存入 B 類的常量池里帅矗。所以偎肃，常量傳播優(yōu)化后，使用者 B 就會擁有 A 的常量浑此，對 A 常量的引用在 Class 文件中成為對自己的常量的引用

2.6.3 表

字段表（field_info）：

字段訪問標志（access_flag）：

描述符（descriptor）：

數(shù)組每一維度用 “[” 來描述

比如

• int[] => [I
• string[][] => [[java/lang/String;
• void inc => ()V
• String toString => ()Ljava/lang/String;
• int indexof(char[] a, int b, char[] c, int d) => ([CI[CI)I

類的字段和方法都由兩部分來表示，即名稱和描述符（NameAndType）

2.7 方法表集合

2.7.1 概述

特點：

• 方法中的代碼凛俱，被編譯成字節(jié)碼后紊馏，放在了 “Code” 屬性中
• 如果父類的方法沒有被子類重寫，不會出現(xiàn)父類方法的信息
• 會出現(xiàn)編譯器添加的方法最冰，比如類構(gòu)造器“<clinit>”和實例構(gòu)造器“<init>”
• Java 文件中同一個類中的方法的特征簽名不能一致瘦棋；Class 文件特征簽名可以一致，但返回值要不同

特征簽名 => 一個方法中各個參數(shù)在常量池中的字段符號的引用集合暖哨，不包含返回值

2.7.2 數(shù)據(jù)分析

方法表集合二進制數(shù)據(jù)

• methods_count => 0x0002
  表示該類有兩個方法

• methods
  分別有兩個方法赌朋，都是 method_info 的結(jié)構(gòu)凰狞。methods_count 緊接著就是第一個方法表
  現(xiàn)在只分析第一個方法表
  access_flag => 0x0001
  方法為 Public 方法
  name_index => 0x0009
  方法名稱為常量表第9個常量，是 Utf8 類型沛慢，為 “<init>”赡若，所以這個方法是類的初始化方法

    Constant pool
        #9 = Utf8       <init>  
  

descriptor_index => 0x000A
方法描述符為常量表第10個常量，也是 Utf8 類型团甲，為 “()V”

    Constant pool
        #10 = Utf8      ()V    

attribute_count => 0x0001
屬性數(shù)量為 1逾冬。從這個可知，該方法有一個屬性躺苦。
基本上所有方法都至少有一個屬性 “Code” 用來記錄方法中編譯后的字節(jié)碼指令身腻。也可以說，方法中的代碼編譯成字節(jié)碼指令后都被存入了 “Code” 屬性中了
attribute_name_index => 0x000B
常量表第11個常量匹厘，也是 Utf8 類型嘀趟，就是 “Code” 屬性

    Constant pool
        #11 = Utf8      Code    

attribute_length => 0x0000003D
表示接下來的 61 個字節(jié)就是 “Code” 屬性表的內(nèi)容了，關(guān)于這個屬性表的解析在后面
使用 javap 可以得出詳細的解析結(jié)果如下：

javap的解析結(jié)果

2.7.3 表

方法表（method_info）：

方法訪問標志（access_flag）：

2.8 屬性表集合

2.8.1 概述

上面已經(jīng)有用到兩種屬性愈诚，字段用到 constantvalue 用來表示是一個常量她按，方法用到了 code 來記錄方法的字節(jié)碼指令集合

特點：

• 屬性不要求嚴格按順序排列，只要不重名
• 屬性值的結(jié)構(gòu)可完全自定義炕柔，但虛擬機只取自己認識的

2.8.2 基本結(jié)構(gòu)

每個屬性的名稱都要從常量池中拿一個 Utf8 類型的常量酌泰。屬性的內(nèi)容為 attribute_length 個 info 組成，每個 info 由一個字節(jié)組成匕累。所以屬性的組成是很靈活的陵刹，如何解釋這些 info，有虛擬機的標準哩罪，也可以完全自定義授霸。但虛擬機在解析的時候巡验，只取自己標準的那部分

2.8.3 幾個主要屬性

2.8.3.1 Code 屬性

使用在方法表中际插，用來表示代碼編譯成的字節(jié)碼指令

具體的結(jié)構(gòu)為

現(xiàn)在拿類第一個方法表的 Code 屬性來進行分析

第一個方法表的 code 屬性二進制數(shù)據(jù)

• attribute_name_index 和 attribute_length 上面已經(jīng)解析過了，為 “Code”显设，長度為 29框弛。即后面的 29 個字節(jié)均為該屬性的內(nèi)容

• max_stack => 0x0002
  操作數(shù)棧的最大深度，方法執(zhí)行的任意時刻捕捂，操作數(shù)棧不會超過這個深度瑟枫，虛擬機用這個值來分配棧幀（Stack Frame）中的操作數(shù)棧深度。這里表示該方法的操作數(shù)棧最深為 2指攒。如果虛擬機執(zhí)行的時候慷妙，有出現(xiàn)超出了這個深度，會拋出 Stack Overflow 的異常

• max_locals => 0x0001
  局部變量表所需的存儲空間允悦。該值的單位為 Slot膝擂，長度不超過 32 位的數(shù)據(jù)類型，比如 byte，int 等用一個 Slot架馋，而 double 和 long 用兩個 Slot狞山。這里表示方法局部變量的存儲空間為 1 個Slot

• code_length => 0x0000000B
  方法體內(nèi)的字節(jié)碼長度，這里的長度為 11叉寂，所以接下來 11 位就是字節(jié)碼指令了

• code
  方法體的字節(jié)碼指令萍启，每個指令用一個 u1 表示，即 8 位屏鳍，一共可以表達 256 條指令勘纯，目前虛擬機已經(jīng)定義 200 多條了。code 指令可以分成以下幾種類型钓瞭。其中異常指令只記錄顯示拋出（throw）的異常屡律，而像 try...catch 的異常則有屬性表之異常表來處理

  • 加載和存儲
  • 運算
  • 類型轉(zhuǎn)換
  • 對象的創(chuàng)建和訪問
  • 操作數(shù)棧管理
  • 控制轉(zhuǎn)移
  • 方法調(diào)用和返回
  • 異常
  • 同步指令

• attributes_count => 0x00000002
  表示后面還有兩個屬性，對照表可知為 LineNumberTable 和 LocalVariableTable降淮。這兩個屬性都不是必須的超埋，主要用來描述源碼和字節(jié)碼之間的一些關(guān)系

因為該方法比較簡單，沒有異常等佳鳖。如果有異常霍殴，Code 屬性中還會有異常表 Exception table

2.8.3.2 LineNumberTable 屬性

用處

• 描述 Java 源碼和字節(jié)碼行號的對應關(guān)系
• 可以使用 javac -g:none 或 -g:lines 選項來取消或顯示。默認顯示
• 用來實現(xiàn)斷點調(diào)試（如果沒有的話無法斷點）

LineNumberTable 具體的結(jié)構(gòu)為

line_number_info 由 start_pc 和 line_number 組成系吩，分別表示字節(jié)碼行號和源碼行號

現(xiàn)在拿上面的方法的 LineNumberTable 屬性數(shù)據(jù)來進行分析

第一個方法的 Code 屬性的 LineNumberTable 的二進制數(shù)據(jù)

• attribute_name_index => 0x000C
  屬性名稱来庭，指向常量池第 12 個常量，可以得知就是 “LineNumberTable”

    Constant pool
        #12 = Utf8      LineNumberTable 
  

• attribute_length => 0x0000000E
  屬性的長度為 15穿挨，所以接下來 15 個字節(jié)都是 LineNumberTable 屬性的值

• line_number_table_length => 0x0003
  表示接下來有 3 個的 line_number_info 類型月弛，用來表示字節(jié)碼和源碼的對應關(guān)系。有可能多個字節(jié)指令才會對應一條源碼

• line_number_table
  現(xiàn)在就分析第一個 line_number_info 的信息
  start_pc => 0x0000科盛，字節(jié)碼第0行
  PC 的全稱為 Program Counter帽衙，即程序計數(shù)，對應程序計數(shù)器的值贞绵，表示在字節(jié)碼指令中的偏移量厉萝。因為要保證線程切換后能回到正確的位置，所以每個線程都會有一個程序計數(shù)器
  line_number => 0x000B榨崩，源碼第11行
  結(jié)合 start_pc 可知谴垫，所以 0:aload_0 指令對應的源碼為 public HelloWorld() {

使用 javap 解析到方法 “<init>” 的完整 LineNumberTable 表如下

javap解析到的結(jié)果

有了這些class文件中有了這些信息，我們就可以進行斷點調(diào)試了母蛛。所以斷點調(diào)試是依賴于方法表中是否有設置 LineNumberTable 屬性

2.8.3.3 LocalVariableTable 屬性

用處

• 描述棧幀局部變量表中的變量和 Java 源碼中對應的變量之間的關(guān)系
• 可使用 -g:none 或 -g:vars 來取消或者生產(chǎn)這項信息
• 沒有該屬性翩剪，當其他人引用這個方法，所有的參數(shù)名稱丟失彩郊，IDE 會使用 arg0前弯、arg1 等占位符代替

LocalVariableTable 具體的結(jié)構(gòu)為

local_variable_info 的結(jié)構(gòu)為

用第一個方法表的 code 屬性的 LocalVariableTable 屬性數(shù)據(jù)來分析

第一個方法表的 code 屬性的 LocalVariableTable 屬性的二進制數(shù)據(jù)

• attribute_name_index => 0x000D
  指向常量池第 13 個常量舞肆，可以得知就是 “LocalVariableTable”

• attribute_length => 0x0000000C
  屬性的長度為 12，所以接下來 12 個字節(jié)都是 LocalVariableTable 屬性的值

• local_variable_table_length => 0x0001
  表示接下來有一個 local_variable_info 用來表示棧幀內(nèi)局部變量表和源碼的關(guān)系

• local_varibale_info
  start_pc => 0x0000
  該局部變量的生命周期開始的字節(jié)碼偏移量
  length => 0x000B
  該局部變量的生命周期作用范圍的長度
  所以該局部變量作用在 0 -> 11 條字節(jié)碼之間博杖，可知為整個方法的字節(jié)碼指令集范圍內(nèi)
  name_index => 0x000E
  指向常量池第 14 個常量椿胯，為 “this”，所以這個局部變量是 this 指針剃根，指向使用該方法的當前實例
  descriptor_index => 0x000F
  指向常量池第 15 個常量哩盲，為 “Ljvm/HelloWorld”，所以這個 this 指針代表的就是類 HelloWorld 的實例
  index => 0x0000
  表示該局部變量在棧幀局部變量表中 Slot 的位置狈醉，可知為第一個 Slot

2.8.3.4 ConstantValue 屬性

該屬性在 2.6.2 對字段 “text” 的解析中已經(jīng)提到廉油，具體的作用是通知虛擬機初始化靜態(tài)變量

目前類變量的初始化有兩種方式

• 使用 ConstantValue 屬性
  基本類型或者 java.lang.String，同時被 static 和 final 修飾的變量（又稱為常量）
• 在類構(gòu)造函數(shù) <clinit> 中
  不是常量苗傅，或者不是基本類型或 java.lang.String