Class文件中的常量池详解（上）

Dear 丶 2024-02-19 16:39 71阅读 0赞

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NO1.**常量池在class文件的什么位置？**

> 我的上一篇文章《Java虚拟机原理图解》 1、class文件基本组织结构中已经提到了class的文件结构，在class文件中的魔数、副版本号、主版本之后，紧接着就是常量池的数据区域了，如下图用红线包括的位置：
> 
> ![20141010133603275][]
> 
> 知道了常量池的位置后，然后让我们来揭秘常量池里究竟有什么东西吧～

NO2.**常量池的里面是怎么组织的？**

> 常量池的组织很简单，前端的两个字节占有的位置叫做**常量池计数器**(**constant\_pool\_count**)，它记录着常量池的组成元素 **常量池项(cp\_info)**的个数。紧接着会排列着**constant\_pool\_count-1**个**常量池项(cp\_info)**。如下图所示：
> 
> ![20141010174452984][]

NO3.**常量池项 (cp\_info) 的结构是什么？**

> 每个**常量池项(cp\_info)** 都会对应记录着class文件中的某中类型的字面量。让我们先来了解一下**常量池项(cp\_info)**的结构吧：
> 
> ![20141010142137086][]
> 
> JVM虚拟机规定了不同的tag值和不同类型的字面量对应关系如下：
> 
> ![20141010142338127][]

所以根据cp\_info中的tag 不同的值，可以将cp\_info 更细化为以下结构体：

**CONSTANT\_Utf8\_info,CONSTANT\_Integer\_info,CONSTANT\_Float\_info,CONSTANT\_Long\_info,  
CONSTANT\_Double\_info,CONSTANT\_Class\_info,CONSTANT\_String\_info,CONSTANT\_Fieldref\_info,  
CONSTANT\_Methodref\_info,CONSTANT\_InterfaceMethodref\_info,CONSTANT\_NameAndType\_info,CONSTANT\_MethodHandle\_info,  
CONSTANT\_MethodType\_info,CONSTANT\_InvokeDynamic\_info**。

![20141011105500122][]

现在让我们看一下细化了的常量池的结构会是类似下图所示的样子：

![20141011125642078][]

NO4.**常量池能够表示那些信息？**

> ![20141011111433728][]

NO5. **int和float数据类型的常量**在常量池中是怎样表示和存储的？(CONSTANT\_Integer\_info, CONSTANT\_Float\_info)

> Java语言规范规定了 int类型和Float 类型的数据类型占用 **4** 个字节的空间。那么存在于class字节码文件中的该类型的常量是如何存储的呢？相应地，在常量池中，将 int和Float类型的常量分别使用CONSTANT\_Integer\_info和 Constant\_float\_info表示，他们的结构如下所示：
> 
> ![20141011132721395][]
> 
> 举例：建下面的类 IntAndFloatTest.java，在这个类中，我们声明了五个变量，但是取值就两种int类型的**10** 和Float类型的**11f**。
> 
> > **\[java\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]
> > 
> > 1.  package com.louis.jvm;
> > 2.  
> > 3.  public class IntAndFloatTest \{
> > 4.  
> > 5.  private final int a = 10;
> > 6.  private final int b = 10;
> > 7.  private float c = 11f;
> > 8.  private float d = 11f;
> > 9.  private float e = 11f;
> > 10. 
> > 11. \}
> > 
> >   
> > 
> 
> 然后用编译器编译成IntAndFloatTest.class字节码文件，我们通过**javap -v IntAndFloatTest** 指令来看一下其常量池中的信息，可以看到虽然我们在代码中写了两次**10** 和三次**11f**，但是常量池中，就只有一个常量**10** 和一个常量**11f**,如下图所示:
> 
> ![20141011140144109][]
> 
> 从结果上可以看到常量池第**\#8** 个**常量池项(cp\_info)** 就是CONSTANT\_Integer\_info,值为**10**；第**\#23**个**常量池项(cp\_info)** 就是CONSTANT\_Float\_info,值为**11f**。(*常量池中其他的东西先别纠结啦，我们会面会一一讲解的哦*)。
> 
> 代码中所有用到 int 类型 **10** 的地方，会使用指向常量池的指针值**\#8** 定位到第**\#8** 个**常量池项(cp\_info)，**即值为 **10**的结构体CONSTANT\_Integer\_info，而用到float类型的**11f**时，也会指向常量池的指针值\#23来定位到第\#23个**常量池项(cp\_info)** 即值为**11f**的结构体CONSTANT\_Float\_info。如下图所示：
> 
> ![20141011134943437][]

NO6. **long和 double数据类型的常量**在常量池中是怎样表示和存储的？(CONSTANT\_Long\_info、CONSTANT\_Double\_info )

> Java语言规范规定了 **long** 类型和 **double**类型的数据类型占用**8** 个字节的空间。那么存在于class 字节码文件中的该类型的常量是如何存储的呢？相应地，在常量池中，将**long**和**double**类型的常量分别使用CONSTANT\_Long\_info和Constant\_Double\_info表示，他们的结构如下所示：
> 
> ![20141011142454265][]
> 
> 举例：建下面的类 LongAndDoubleTest.java，在这个类中，我们声明了六个变量，但是取值就两种**Long** 类型的**-6076574518398440533L** 和**Double** 类型的**10.1234567890D**。
> 
> > **\[java\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]
> > 
> > 1.  package com.louis.jvm;
> > 2.  
> > 3.  public class LongAndDoubleTest \{
> > 4.  
> > 5.  private long a = -6076574518398440533L;
> > 6.  private long b = -6076574518398440533L;
> > 7.  private long c = -6076574518398440533L;
> > 8.  private double d = 10.1234567890D;
> > 9.  private double e = 10.1234567890D;
> > 10. private double f = 10.1234567890D;
> > 11. \}
> > 
> >   
> > 
> 
> 然后用编译器编译成 LongAndDoubleTest.class 字节码文件，我们通过**javap -v LongAndDoubleTest**指令来看一下其常量池中的信息，可以看到虽然我们在代码中写了三次**-6076574518398440533L** 和三次**10.1234567890D**，但是常量池中，就只有一个常量**-6076574518398440533L** 和一个常量**10.1234567890D**,如下图所示:
> 
> ![20141011150905498][]
> 
> 从结果上可以看到常量池第 **\#18** 个**常量池项(cp\_info)** 就是**CONSTANT\_Long\_info**,值为**-6076574518398440533L** ；第 **\#26**个**常量池项(cp\_info)** 就是**CONSTANT\_Double\_info**,值为**10.1234567890D**。(常量池中其他的东西先别纠结啦，我们会面会一一讲解的哦)。
> 
> 代码中所有用到 long 类型**-6076574518398440533L** 的地方，会使用指向常量池的指针值**\#18** 定位到第 **\#18** 个**常量池项(cp\_info)，**即值为**-6076574518398440533L** 的结构体**CONSTANT\_Long\_info**，而用到double类型的**10.1234567890D**时，也会指向常量池的指针值**\#26**来定位到第 **\#26** 个**常量池项(cp\_info)** 即值为**10.1234567890D**的结构体**CONSTANT\_Double\_info**。如下图所示：
> 
> ![20141011150130390][]

NO7. **String类型的字符串常量**在常量池中是怎样表示和存储的？（CONSTANT\_String\_info、CONSTANT\_Utf8\_info）

> 对于字符串而言，JVM会将字符串类型的字面量以UTF-8 编码格式存储到在class字节码文件中。这么说可能有点摸不着北，我们先从直观的Java源码中中出现的用双引号"" 括起来的字符串来看，在编译器编译的时候，都会将这些字符串转换成**CONSTANT\_String\_info**结构体，然后放置于常量池中。其结构如下所示：
> 
> ![20141011160934657][]
> 
> 如上图所示的结构体，**CONSTANT\_String\_info**结构体中的string\_index的值指向了CONSTANT\_Utf8\_info结构体，而字符串的utf-8编码数据就在这个结构体之中。如下图所示：
> 
> ![20141011164935736][]
> 
> 请看一例，定义一个简单的StringTest.java类，然后在这个类里加一个"JVM原理" 字符串，然后，我们来看看它在class文件中是怎样组织的。
> 
> > **\[java\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]
> > 
> > 1.  package com.louis.jvm;
> > 2.  
> > 3.  public class StringTest \{
> > 4.  private String s1 = "JVM原理";
> > 5.  private String s2 = "JVM原理";
> > 6.  private String s3 = "JVM原理";
> > 7.  private String s4 = "JVM原理";
> > 8.  \}
> 
> 将Java源码编译成StringTest.class文件后，在此文件的目录下执行 javap -v StringTest 命令，会看到如下的常量池信息的轮廓：
> 
> ![20141011175415291][]
> 
> (PS :使用javap -v 指令能看到易于我们阅读的信息，查看真正的字节码文件可以使用HEXWin、NOTEPAD++、UtraEdit 等工具。)
> 
> 在面的图中，我们可以看到**CONSTANT\_String\_info**结构体位于常量池的第**\#15**个索引位置。而存放"Java虚拟机原理" 字符串的 UTF-8编码格式的字节数组被放到**CONSTANT\_Utf8\_info**结构体中，该结构体位于常量池的第**\#16**个索引位置。上面的图只是看了个轮廓，让我们再深入地看一下它们的组织吧。请看下图：
> 
> ![20141011173951923][]
> 
> 由上图可见：“**JVM原理**”的UTF-8编码的数组是：4A564D E5 8E 9FE7 90 86，并且存入了**CONSTANT\_Utf8\_info**结构体中。

NO8. **类文件中定义的类名和类中使用到的类**在常量池中是怎样被组织和存储的？(CONSTANT\_Class\_info)

> JVM会将某个Java 类中所有使用到了的**类的完全限定名** 以**二进制形式的完全限定名** 封装成**CONSTANT\_Class\_info**结构体中，然后将其放置到常量池里。**CONSTANT\_Class\_info** 的tag值为 **7 。**其结构如下：
> 
> ![20141013102407578][]
> 
> > Tips： **类的完全限定名**和 **二进制形式的完全限定名**
> > 
> > 在某个Java源码中，我们会使用很多个类，比如我们定义了一个 **ClassTest**的类，并把它放到**com.louis.jvm** 包下，则 **ClassTest**类的完全限定名为**com.louis.jvm.ClassTest**，将JVM编译器将类编译成class文件后，此完全限定名在class文件中，是以二进制形式的完全限定名存储的，即它会把完全限定符的"**.**"换成**"*/*"** ，即在class文件中存储的 **ClassTest**类的完全限定名称是"**com/louis/jvm/ClassTest**"。因为这种形式的完全限定名是放在了class二进制形式的字节码文件中，所以就称之为 **二进制形式的完全限定名。**
> 
> 举例，我们定义一个很简单的**ClassTest**类，来看一下常量池是怎么对类的完全限定名进行存储的。
> 
> **\[java\]** [view plain][] [copy][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]
> 
> 1.  package com.jvm;
> 2.  import java.util.Date;
> 3.  public class ClassTest \{
> 4.  private Date date =new Date();
> 5.  \}
> 
> 将Java源码编译成**ClassTest.class**文件后，在此文件的目录下执行 javap -v ClassTest 命令，会看到如下的常量池信息的轮廓：
> 
> ![20141013125853447][]
> 
> 如上图所示，在**ClassTest.class**文件的常量池中，共有 3 个**CONSTANT\_Class\_info**结构体，分别表示**ClassTest** 中用到的Class信息。 我们就看其中一个表示**com/jvm.ClassTest**的**CONSTANT\_Class\_info** 结构体。它在常量池中的位置是**\#1**，它的name\_index值为**\#2**，它指向了常量池的第***2*** 个常量池项，如下所示:
> 
> > ![20141013113134911][]
> > 
> > **注意：**
> > 
> > 对于某个类而言，其class文件中至少要有两个CONSTANT\_Class\_info常量池项，用来表示自己的类信息和其父类信息。(除了java.lang.Object类除外，其他的任何类都会默认继承自java.lang.Object）如果类声明实现了某些接口，那么接口的信息也会生成对应的CONSTANT\_Class\_info常量池项。
> > 
> > 除此之外，如果在类中使用到了其他的类，只有真正使用到了相应的类，JDK编译器才会将类的信息组成CONSTANT\_Class\_info常量池项放置到常量池中。如下图：
> > 
> > **\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]
> > 
> > 1.  package com.louis.jvm;
> > 2.  
> > 3.  import java.util.Date;
> > 4.  
> > 5.  public class Other\{
> > 6.  private Date date;
> > 7.  
> > 8.  public Other()
> > 9.  \{
> > 10. Date da;
> > 11. \}
> > 12. \}
> > 
> > 上述的Other的类，在JDK将其编译成class文件时，常量池中并没有java.util.Date对应的CONSTANT\_Class\_info常量池项，为什么呢?
> > 
> > 在Other类中虽然定义了Date类型的两个变量date、da，但是JDK编译的时候，认为你只是声明了“Ljava/util/Date”类型的变量，并没有实际使用到Ljava/util/Date类。将类信息放置到常量池中的目的，是为了在后续的代码中有可能会反复用到它。很显然，JDK在编译Other类的时候，会解析到Date类有没有用到，发现该类在代码中就没有用到过，所以就认为没有必要将它的信息放置到常量池中了。
> > 
> > 将上述的Other类改写一下，仅使用new Date()，如下图所示：
> > 
> > **\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]
> > 
> > 1.  package com.louis.jvm;
> > 2.  
> > 3.  import java.util.Date;
> > 4.  
> > 5.  public class Other\{
> > 6.  public Other()
> > 7.  \{
> > 8.  new Date();
> > 9.  \}
> > 10. \}
> > 
> >   
> > 这时候使用javap -v Other ，可以查看到常量池中有表示java/util/Date的常量池项：
> > 
> > ![20141127102330502][]
> > 
> > 总结：
> > 
> > 1.对于某个类或接口而言，其自身、父类和继承或实现的接口的信息会被直接组装成CONSTANT\_Class\_info常量池项放置到常量池中；
> > 
> > 2. 类中或接口中使用到了其他的类，只有在类中实际使用到了该类时，该类的信息才会在常量池中有对应的CONSTANT\_Class\_info常量池项；
> > 
> > 3. 类中或接口中仅仅定义某种类型的变量，JDK只会将变量的类型描述信息以UTF-8字符串组成CONSTANT\_Utf8\_info常量池项放置到常量池中，上面在类中的private Date date;JDK编译器只会将表示date的数据类型的“Ljava/util/Date”字符串放置到常量池中。

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[ico_fork.svg 1]: https://code.csdn.net/snippets/486009/fork
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[20141011173951923]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/456feb36fed64e2b8304b4d17177484a.png
[20141013102407578]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/dfe7f5ed37d546a29bf14c3aa8ec721e.png
[20141013125853447]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/4b7cfcc7a97149a68ad722560519f0c8.png
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[20141127102330502]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/9c495ffaad344cbfb9cae4bbbd6750e1.png