Java字节码结构剖析一：常量池

这篇博客开始，我打算带大家去解读一下JVM平台下的字节码文件（熟悉而又陌生的感觉）。众所周知，Class文件包含了我们定义的类或接口的信息。然后字节码又会被JVM加载到内存中，供JVM使用。那么，类信息到了字节码文件里，它们如何表示的，以及在字节码里是怎么分布的呢？带着这些问题，让我们去深入了解字节码文件吧。

Class文件的结构

Class文件是一组以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地排列在Class文件之中，中间没有添加任何分隔符，这使得整个Class文件中存储的内容几乎全部是程序运行的必要数据，没有空隙存在。当遇到需要占用8位字节以上空间地数据项时，则会按照高位在前的方式分割成若干个8位字节进行存储。

每一个 Class 文件对应于一个如下所示的 ClassFile 结构体。

ClassFile {

    u4 magic;

    u2 minor_version;

    u2 major_version;

    u2 constant_pool_count;

    cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];

    u2 access_flags;

    u2 this_class;

    u2 super_class;

    u2 interfaces_count;

    u2 interfaces[interfaces_count];

    u2 fields_count;

    field_info fields[fields_count];

    u2 methods_count;

    method_info methods[methods_count];

    u2 attributes_count;

    attribute_info attributes[attributes_count];

}

这种数据结构，类似C语言结构体。这个结构体中只有两种数据类型：无符号数和表，后面的解析都要以这两种数据类型为基础，所以这里要先介绍这两个概念。

无符号数属于基本的数据类型，以u1，u2，u4，u8来分别代表1个字节，2个字节，4个字节和8个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值。

表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，所有表都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质就是一张表。

下面是我的案例代码，本章将以此代码生成的字节码文件作为例子来分析。

publicclassMyTest2 {

    String str = "Welcome";

    privateintx = 5;

    publicstaticInteger in = 10;

    publicstaticvoidmain(String[] args) {

        MyTest2 myTest2 = newMyTest2();

        myTest2.setX(8);

        in = 20;

    }

    publicvoidsetX(intx) {

        this.x = x;

    }

}

对应生成的字节码文件格式如下：（数据内容较多，只是截了部分）

上面的数字是以16进制表示的。我们可以按照之前的结构一项项去解读它。

Class文件解析

magic

魔数，u4类型的数据，占4个字节。魔数的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机所接受的 Class 文件。魔数值固定为 0xCAFEBABE（咖啡宝贝），不会改变。

minor_version、major_version

紧接着魔数之后的4个字节为Java版本信息：第5和第6个字节是次版本号（minor_version），第7和第8个字节是主版本号（major_version）。

就看当前这个字节码，次版本号是0×0000=0，主版本号是0×0034=52。我本地机器用的是JDK1.8，所以可生成的Class文件主版本号最大值为52.0。

下面给出了Java各个主版本号，以供参考。

constant_pool_count

常量池计数器，u2类型的数据。它是常量池的入口，表示紧跟着它后面的常量池的元素个数。算一下，0x002F=47，即常量池里的元素有47个。这里我用jdk的内置工具javap，反编译一下，可以输出常量池的信息以及元素个数。执行命令：javap -verbose。输出结果如下：

Constant pool:

   #1 = Methodref          #10.#34        // java/lang/Object."<init>":()V

   #2 = String             #35            // Welcome

   #3 = Fieldref           #5.#36         // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.str:Ljava/lang/String;

   #4 = Fieldref           #5.#37         // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.x:I

   #5 = Class              #38            // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2

   #6 = Methodref          #5.#34         // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2."<init>":()V

   #7 = Methodref          #5.#39         // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.setX:(I)V

   #8 = Methodref          #40.#41        // java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;

   #9 = Fieldref           #5.#42         // com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.in:Ljava/lang/Integer;

  #10 = Class              #43            // java/lang/Object

  #11 = Utf8               str

  #12 = Utf8               Ljava/lang/String;

  #13 = Utf8               x

  #14 = Utf8               I

  #15 = Utf8               in

  #16 = Utf8               Ljava/lang/Integer;

  #17 = Utf8               <init>

  #18 = Utf8               ()V

  #19 = Utf8               Code

  #20 = Utf8               LineNumberTable

  #21 = Utf8               LocalVariableTable

  #22 = Utf8               this

  #23 = Utf8               Lcom/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2;

  #24 = Utf8               main

  #25 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V

  #26 = Utf8               args

  #27 = Utf8               [Ljava/lang/String;

  #28 = Utf8               myTest2

  #29 = Utf8               setX

  #30 = Utf8               (I)V

  #31 = Utf8               <clinit>

  #32 = Utf8               SourceFile

  #33 = Utf8               MyTest2.java

  #34 = NameAndType        #17:#18        // "<init>":()V

  #35 = Utf8               Welcome

  #36 = NameAndType        #11:#12        // str:Ljava/lang/String;

  #37 = NameAndType        #13:#14        // x:I

  #38 = Utf8               com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2

  #39 = NameAndType        #29:#30        // setX:(I)V

  #40 = Class              #44            // java/lang/Integer

  #41 = NameAndType        #45:#46        // valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;

  #42 = NameAndType        #15:#16        // in:Ljava/lang/Integer;

  #43 = Utf8               java/lang/Object

  #44 = Utf8               java/lang/Integer

  #45 = Utf8               valueOf

  #46 = Utf8               (I)Ljava/lang/Integer;

可是，我们得到的常量池里的元素个数是46。我们看常量池第一个元素，它的索引是从1开始的。所以索引值范围是1~46。设计者将第0项常量空出来是有特殊考虑的，这样做的目的在于满足后面某些指向常量池的索引值的数据在特定情况下需要表达“不引用任何一个常量池项目”的含义，这种情况就可以把索引值置为0来表示。根本原因在于，索引为0也是一个常量（保留常量），只不过它不位于常量表中。这个常量就对应Null值，所以常量池的索引从1而非0开始。

常量池结构剖析

紧接其后的就是常量池了。一个Java类中定义的很多信息都是由常量池维护和描述的。可以将常量池看作是Class文件的资源库。比如：Java类中定义的方法与变量信息，都是存储在常量池中。常量池中主要存储两类常量：字面常量和符号引用。字面量，如文本字符串，Java中声明为常量值，而符号引用如类和接口的全局限定名，字段的名称和描述符，方法的名称和描述符等。

注：常量池中存储的不一定是不变的量！如，private int x = 5，x是变量，但“x”这个变量名字依然存在常量池中。

我们也可以把常量池当做一个数组（常量池中的每一项常量都是一个表），与一般数组不同的是，常量池数组中不同的元素类型，结构都是不同的，长度当然也不相同；但是每一个元素的第一个数据都是u1类型，该字节是个标志位，占一个字节。JVM在解析长量池时，会根据这个u1类型来获取元素的具体类型。目前，常量池中出现的常量类型有14种，如下表：

作者：java菜
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