类字节码：揭开Java虚拟机运行机制的神秘面纱

概述

计算机是不能直接运行java代码的，必须要先运行java虚拟机，再由java虚拟机运行编译后的java代码。

因为在cpu层面看来计算机中所有的操作都是一个个指令的运行汇集而成的，java是高级语言，只有人类才能理解其逻辑，计算机是无法识别的，所以java代码必须要先编译成字节码文件，jvm才能正确识别代码转换后的指令并将其运行。

Java代码间接翻译成字节码，储存字节码的文件再交由运行于不同平台上的JVM虚拟机去读取执行，从而实现一次编写，到处运行的目的。

Java字节码文件

class文件本质上是一个以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑的排列在class文件中。jvm根据其特定的规则解析该二进制数据，从而得到相关信息。

Class文件的结构属性

反编译字节码文件

javac 生成字节码文件，javap 反编译字节码文件

javap用法

javap <options> <classes>

 -help  --help  -?        输出此用法消息
  -version                 版本信息
  -v  -verbose             输出附加信息
  -l                       输出行号和本地变量表
  -public                  仅显示公共类和成员
  -protected               显示受保护的/公共类和成员
  -package                 显示程序包/受保护的/公共类
                           和成员 (默认)
  -p  -private             显示所有类和成员
  -c                       对代码进行反汇编
  -s                       输出内部类型签名
  -sysinfo                 显示正在处理的类的
                           系统信息 (路径, 大小, 日期, MD5 散列)
  -constants               显示最终常量
  -classpath <path>        指定查找用户类文件的位置
  -cp <path>               指定查找用户类文件的位置
  -bootclasspath <path>    覆盖引导类文件的位置

反编译

//Main.java
public class Main {
    
    private int m;
    
    public int inc() {
        return m + 1;
    }
}

对以上例子输入命令javap -verbose -p Main.class查看输出内容:

Classfile /E:/JavaCode/TestProj/out/production/TestProj/com/rhythm7/Main.class
  Last modified 2018-4-7; size 362 bytes
  MD5 checksum 4aed8540b098992663b7ba08c65312de
  Compiled from "Main.java"
public class com.rhythm7.Main
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#18         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#19         // com/rhythm7/Main.m:I
   #3 = Class              #20            // com/rhythm7/Main
   #4 = Class              #21            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               m
   #6 = Utf8               I
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/rhythm7/Main;
  #14 = Utf8               inc
  #15 = Utf8               ()I
  #16 = Utf8               SourceFile
  #17 = Utf8               Main.java
  #18 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #19 = NameAndType        #5:#6          // m:I
  #20 = Utf8               com/rhythm7/Main
  #21 = Utf8               java/lang/Object
{
  private int m;
    descriptor: I
    flags: ACC_PRIVATE

  public com.rhythm7.Main();
    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 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/rhythm7/Main;

  public int inc();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field m:I
         4: iconst_1
         5: iadd
         6: ireturn
      LineNumberTable:
        line 8: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       7     0  this   Lcom/rhythm7/Main;
}
SourceFile: "Main.java"

字节码文件信息

开头的7行信息包括:Class文件当前所在位置，最后修改时间，文件大小，MD5值，编译自哪个文件，类的全限定名，jdk次版本号，主版本号。

然后紧接着的是该类的访问标志：ACC_PUBLIC, ACC_SUPER，访问标志的含义如下:

常量池

Constant pool意为常量池。

主要存放的是两大类常量：字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)。字面量类似于java中的常量概念，如文本字符串，final常量，而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括以下三种:

类和接口的全限定名(Fully Qualified Name)
字段的名称和描述符号(Descriptor)
方法的名称和描述符

常量池与运行时常量池：

常量池：就是一张表（如上图中的constant pool），虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量信息
运行时常量池：常量池是*.class文件中的，当该类被加载以后，JVM才进行的动态链接，也就是说在运行期转换后它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

#1 = Methodref          #4.#18         // java/lang/Object."<init>":()V
#4 = Class              #21            // java/lang/Object
#7 = Utf8               <init>
#8 = Utf8               ()V
#18 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
#21 = Utf8               java/lang/Object

第一个常量是一个方法定义，指向了第4和第18个常量。以此类推查看第4和第18个常量。最后可以拼接成第一个常量右侧的注释内容:

java/lang/Object."<init>":()V

这段可以理解为该类的实例构造器的声明，由于Main类没有重写构造方法，所以调用的是父类的构造方法。此处也说明了Main类的直接父类是Object。该方法默认返回值是V, 也就是void，无返回值。

第二个常量同理可得:

#2 = Fieldref           #3.#19         // com/rhythm7/Main.m:I
#3 = Class              #20            // com/rhythm7/Main
#5 = Utf8               m
#6 = Utf8               I
#19 = NameAndType        #5:#6          // m:I
#20 = Utf8               com/rhythm7/Main

此处声明了一个字段m，类型为I, I即是int类型。关于字节码的类型对应如下：

对于数组类型，每一位使用一个前置的 [ 字符来描述，如定义一个java.lang.String[][] 类型的维数组，将被记录为 [[Ljava/lang/Strin

方法表集合

在常量池之后的是对类内部的方法描述，在字节码中以表的集合形式表现

private int m;
  descriptor: I
  flags: ACC_PRIVATE

此处声明了一个私有变量m，类型为int，返回值为int

public com.rhythm7.Main();
   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 3: 0
     LocalVariableTable:
       Start  Length  Slot  Name   Signature
           0       5     0  this   Lcom/rhythm7/Main;

这里是构造方法：Main()，返回值为void, 公开方法。

code内的主要属性为:

stack: 最大操作数栈，JVM运行时会根据这个值来分配栈帧(Frame)中的操作栈深度,此处为1
locals: 局部变量所需的存储空间，单位为Slot, Slot是虚拟机为局部变量分配内存时所使用的最小单位，为4个字节大小。方法参数(包括实例方法中的隐藏参数this)，显示异常处理器的参数(try catch中的catch块所定义的异常)，方法体中定义的局部变量都需要使用局部变量表来存放。值得一提的是，locals的大小并不一定等于所有局部变量所占的Slot之和，因为局部变量中的Slot是可以重用的。
args_size: 方法参数的个数，这里是1，因为每个实例方法都会有一个隐藏参数this
attribute_info: 方法体内容，0,1,4为字节码"行号"，该段代码的意思是将第一个引用类型本地变量推送至栈顶，然后执行该类型的实例方法，也就是常量池存放的第一个变量，也就是注释里的java/lang/Object."":()V, 然后执行返回语句，结束方法。LineNumberTable: 该属性的作用是描述源码行号与字节码行号(字节码偏移量)之间的对应关系。可以使用 -g:none 或-g:lines选项来取消或要求生成这项信息，如果选择不生成
LineNumberTable，当程序运行异常时将无法获取到发生异常的源码行号，也无法按照源码的行数来调试程序。
LocalVariableTable: 该属性的作用是描述帧栈中局部变量与源码中定义的变量之间的关系。可以使用 -g:none 或 -g:vars来取消或生成这项信息，如果没有生成这项信息，那么当别人引用这个方法时，将无法获取到参数名称，取而代之的是arg0, arg1这样的占位符。
- start 表示该局部变量在哪一行开始可见
- length表示可见行数
- Slot代表所在帧栈位置
- Name是变量名称
- Signature 类型签名

方法体内的内容是：将this入栈，获取字段#2并置于栈顶, 将int类型的1入栈，将栈内顶部的两个数值相加，返回一个int类型的值。

字节码的好处，编译型与解释型

采用字节码的好处？java程序通过编译器编译成字节码文件，也就是计算机可以识别的二进制。java虚拟机就是将字节码文件解释成二进制段。采用字节码的最大好处是：可以实现一次编译到处运行，也就是java的与平台无关性

编译型：编译型语言open in new window 会通过编译器open in new window将源代码一次性翻译成可被该平台执行的机器码。一般情况下，编译语言的执行速度比较快，开发效率比较低。常见的编译性语言有 C、C++、Go、Rust 等等。

解释型：解释型语言open in new window会通过解释器open in new window一句一句的将代码解释（interpret）为机器代码后再执行。解释型语言开发效率比较快，执行速度比较慢。常见的解释性语言有 Python、JavaScript、PHP 等等。

Java 语言“编译与解释并存”？

这是因为 Java 语言既具有编译型语言的特征，也具有解释型语言的特征。因为 Java 程序要经过先编译，后解释两个步骤，由 Java 编写的程序需要先经过编译步骤，生成字节码（.class 文件），这种字节码必须由 Java 解释器来解释执行