Java字节码

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发布日期:   2022-02-24

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Java字节码结构看过很多遍，单总是记不太清，看的博客也是五花八门，这里还是自己总结下。
声明：本篇博客大部分位其他博客内容，只供自己总结使用，不是原创内容

结构

字节码

Java字节码是Java跨平台，也就是所谓“一次编译，到处运行“的根本，Java的运行容器，也就是JVM，它不是跨平台的，win和linux的JVM实现都不一样，真正跨平台的是字节码文件，因为所有字节码是同一份，不同平台的JVM虽然实现不同，但是大家都遵循着一个规范，就是JVM规范，对于字节码的识别是相同的。
而字节码文件（.class）并不是Java独有的，也可以理解为它适合JVM绑定的，因为不只是Java代码可以编译成字节码文件，例如scala，groovy，kotlin文件都可以编译成字节码文件，这也是这些代码可以在一个项目里存在的原因，使用不同的编译器，不同的代码文件最后都编译成同一份字节码文件。

获取字节码

Java中获取字节码很简单，使用javac xxx.java 即可
打开字节码文件一般以16进制的形式打开（vscode用hexdunp插件）
一般用idea打开的字节码文件都是反编译以后的Java代码，也可以用javap反编译，结果更清晰一点

这边复制一份网上的字节码文件

java代码是 Main.java

public class Main {

    private int m;

    public int inc() {
        return m + 1;
    }
}

字节码 Main.class

  Offset: 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F 

00000000: CA FE BA BE 00 00 00 34 00 13 0A 00 04 00 0F 09    J~:>...4........
00000010: 00 03 00 10 07 00 11 07 00 12 01 00 01 6D 01 00    .............m..
00000020: 01 49 01 00 06 3C 69 6E 69 74 3E 01 00 03 28 29    .I...<init>...()
00000030: 56 01 00 04 43 6F 64 65 01 00 0F 4C 69 6E 65 4E    V...Code...LineN
00000040: 75 6D 62 65 72 54 61 62 6C 65 01 00 03 69 6E 63    umberTable...inc
00000050: 01 00 03 28 29 49 01 00 0A 53 6F 75 72 63 65 46    ...()I...SourceF
00000060: 69 6C 65 01 00 09 4D 61 69 6E 2E 6A 61 76 61 0C    ile...Main.java.
00000070: 00 07 00 08 0C 00 05 00 06 01 00 0A 6F 74 68 65    ............othe
00000080: 72 2F 4D 61 69 6E 01 00 10 6A 61 76 61 2F 6C 61    r/Main...java/la
00000090: 6E 67 2F 4F 62 6A 65 63 74 00 21 00 03 00 04 00    ng/Object.!.....
000000a0: 00 00 01 00 02 00 05 00 06 00 00 00 02 00 01 00    ................
000000b0: 07 00 08 00 01 00 09 00 00 00 1D 00 01 00 01 00    ................
000000c0: 00 00 05 2A B7 00 01 B1 00 00 00 01 00 0A 00 00    ...*7..1........
000000d0: 00 06 00 01 00 00 00 08 00 01 00 0B 00 0C 00 01    ................
000000e0: 00 09 00 00 00 1F 00 02 00 01 00 00 00 07 2A B4    ..............*4
000000f0: 00 02 04 60 AC 00 00 00 01 00 0A 00 00 00 06 00    ...`,...........
00000100: 01 00 00 00 0D 00 01 00 0D 00 00 00 02 00 0E       ...............

javap反编译 javap -verbose -p Main.class

Classfile /Users/xxx/xxx/xxxx/xxx/main/java/xxx/Main.class
  Last modified 2022-2-25; size 271 bytes
  MD5 checksum 81e29186872af47b63bf14bd01d386b8
  Compiled from "Main.java"
public class other.Main
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#15         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#16         // other/Main.m:I
   #3 = Class              #17            // other/Main
   #4 = Class              #18            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               m
   #6 = Utf8               I
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               inc
  #12 = Utf8               ()I
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               Main.java
  #15 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #16 = NameAndType        #5:#6          // m:I
  #17 = Utf8               other/Main
  #18 = Utf8               java/lang/Object
{
  private int m;
    descriptor: I
    flags: ACC_PRIVATE

  public other.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 8: 0

  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 13: 0
}
SourceFile: "Main.java"

详细结构

魔数

前8位是魔数，字节码的标志，都是CAFEBABE

版本号

接下来8位位版本号0000 0034，前4位位副版本号，后四位位主版本号，（只知道java8是52，是有规律的）

常量池

接下来4位0013是常量池中的常量数量，这个数量是从1开始计数的，所以一共有18个，
常量池中存放了（字面量）文字字符串，常量值，（符号引用）当前类的类名，字段名，方法名，字段和方法的描述符，对当前类的引用信息，当前类中对其他类的引用信息等。
常量池是一个类的结构索引，其他地方对对象的引用可以通过索引位置代替，常量池中的数据通过索引来访问，但是下标是从1开始的，如果索引了0，就代表不引用任何常量。

在字节码加载入虚拟机的链接阶段，内部分为校验，准备，解析，在解析阶段，会把符号引用转变为直接引用，也就是把常量池中的这些符号引用转化成为内存中的真实地址。

0013后面的到下一个类型前的内容都是常量池的内容，每一种常量类型的结构不同，占用字节也不同，解析也是通过tag先识别类型，然后读取对应长度的字节来解析的。
这边就不具体说了，可以参考一下表
常量池

类访问标记

接下来是类的访问标记，有个对应表
对应表
值得注意的是，这个字段用两个字节表示，例如例子中的javap后的反编译内容中访问标记是ACC_PUBLIC, ACC_SUPER，将二者相加，结果是0x0021，可以在字节码文件中找到

类索引，父类索引，接口索引

接下来的2个字节是类的索引，是一个无符号整数，值为常量池的索引，
再接下来2个字节是父类的索引，同上
再接下来2个字节是接口的计数
再接下来n*2个字节是接口的索引，n是接口的数量

字段表

接下来2个字节表示类的字段数量，包括实例字段和类字段，不包括方法内部的局部变量，同样不包括父类或者接口中的字段
再接下来就是字段的具体描述，每个字段用一个field_info结构体来描述，包含多个修饰符，例如：

  • 访问标记 u2
  • 字段名索引 u2
  • 描述符索引 u2
  • 属性计数器 u2
  • 属性集合
    其中修饰符都是布尔值，要么有，要么没有，字段名是索引，常量池中的
    还有一个属性集合包含初始化值，注释信息等

方法表

还是先是两个字节表示方法数量
接下来是方法的具体描述，使用method_info来描述，结构也类似

  • 访问标志 u2
  • 字段名索引 u2
  • 描述符索引 u2
  • 属性计数器 u2
  • 属性集合

属性表集合

属性表指class文件携带的辅助信息，比如该class文件的源文件的名称，以及注解信息
属性表的结构没有很严格，只要不重名，任何人实现的编译器都可以向属性表写入东西，但是java虚拟机会忽略掉不认识的
结构如下

  • 属性名索引 u2
  • 属性长度 u4
  • 属性表 u1

属性表详情就不介绍了，后面有需要再说。

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