学会阅读Java字节码

谁践踏了优雅 2022-09-28 11:42 270阅读 0赞

**1.Class文件基础**

**（1）文件格式**

![1346768613_6175.png][]

Class文件的结构不像XML等描述语言那样松散自由。由于它没有任何分隔符号，

所以，以上数据项无论是顺序还是数量都是被严格限定的。哪个字节代表什么

含义，长度是多少，先后顺序如何，都不允许改变。

**（2）数据类型**

仔细观察上面的Class文件格式，可以看出Class文件格式采用一种类似于C语言

结构体的伪结构来存储，这种伪结构中只有两种数据类型：**无符号数和表**。

无符号数就是u1、u2、u4、u8来分别代表1个、2个、4个、8个字节。表是由

多个无符号数或其他表构成的复合数据类型，以“\_info”结尾。在表开始位置，

通常会使用一个前置的容量计数器，因为表通常要描述数量不定的多个数据。

下图表示的就是Class文件格式中按顺序各个数据项的类型：

![1346768671_9517.png][]

**（3）兼容性**

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

即使文件格式未发生任何变化。举例来说，JDK 1.7中的JRE能够执行JDK 1.5编译

出的Class文件，但是JDK 1.7编译出来的Class文件不能被JDK 1.5使用。这就是

target参数的用处，可以在使用JDK 1.7编译时指定-target 1.5。

**2.一个简单的例子**

**\[java\]**  [view plain][]   [copy][view plain]

1.  **package** com.cdai.jvm.bytecode;  
2.    
3.  **public** **class** ByteCodeSample \{  
4.    
5.      **private** String msg = "hello world";  
6.        
7.      **public** **void** say() \{  
8.          System.out.println(msg);  
9.      \}  
10.       
11. \}

编译成Class文件后的样子：

![1346768709_5737.png][]

**3.逐个字节分析**

**（1）魔数和版本号**

![1346768760_6682.png][]

前四个字节（u4）cafebabe就是Class文件的魔数，第5、6字节（u2）是Class文件的

次版本号，第7、8字节（u2）是主版本号。十六进制0和32，也就是版本号为50.0，

即JDK 1.6。之前介绍的target参数会影响这四个字节的值，从而使Class文件兼容不同

的JDK版本。

**（2）常量池**

![1346768777_1079.png][]

常量池是一个表结构，并且就像之前介绍过的，在表的内容前有一个u2类型的计数器，

表示常量池的长度。十六进制23的十进制值为35，表示常量池里有下标为1~34的表项。

下标从1开始而不是0，是因为第0个表项表示“不引用常量池中的任意一项”。每个表项

的第一个字节是一个u1类型，表示12中数据类型。具体含义如下：

![1346768791_6514.png][]

以第一项**07 00 02**为例，07表示该常量是个CONSTANT\_Class\_info类型，紧接着一个u2

类型的索引执行第2项常量。再看第二项**01 00 24 63 6f 6d 2f ... 65**表示的就是字符串

类型，长度为36（十六进制00 24），紧接着就是UTF-8编码的字符串"com/cdai/jvm/bytecode

/ByteCodeSample"。很容易读懂吧？常量池主要是为后面的字段表和方法表服务的。

下面是通过javap解析后常量池的全貌（执行**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）访问标志**

![1346768810_6525.png][]

![1346768827_8022.png][]

显然，00 21表示的就是公有的类。

**（4）类、父类、接口**

![1346768841_9360.png][]

这三个u2类型的值分别表示类索引1、父类索引3、接口索引集合0。查看之前的常量池，

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

表示此类没有实现任何接口，这也就是常量池第0项的作用！

**（5）字段表**

![1346768855_8426.png][]

00 01表示有1个字段。00 02是字段的访问标志，表示private权限的。00 05是字段的名称

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

"Ljava/lang/String"。最后的00 00表示该字段没有其他 **属性表**了。

描述符的作用就是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表和返回值。而属性表就是为

字段表和方法表提供额外信息的表结构。对于字段来说，此处如果将字段声明为一个static

final msg = "aaa"的常量，则字段后就会跟着一个属性表，其中存在一项名为ConstantValue，

指向常量池中的一个常量，值为的"aaa"。

属性表不像Class文件中的其他数据项那样具有严格的顺序、长度和内容，任何人实现的编译器

都可以向属性表中写入自己定义的属性信息，JVM会忽略掉它不认识的属性。后面的方法表中

还要用到属性表的Code属性，来保存方法的字节码。

**（6）方法表**

![1346768868_8778.png][]

00 02表示有两个方法。00 01是方法的访问标志，表示公有方法。00 07和00 08与字段表中的名称

和描述符索引相同，在这里分别表示"<init>"和"()V"。00 01表示该方法有属性表，属性名称为00 09

即我们前面提到的Code属性。

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

它们分别为JVM提供方法的栈信息和调试信息。

以下是javap解析后的结果：

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.小结**

怎么样并不难吧！接下来我们将要学习下如何用字节码工具如ASM、CGLIB来手写

字节码，从而加深对字节码的理解。

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