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jvm虚拟机学习一class文件

整体学习架构图
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从Javaclass文件到类加载到运行时内存区域,到垃圾回收一个流程学习;

Class文件介绍

Class文件是一组以8个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个字节以上空间的数据项时,则会按照高位在前的方式分割成若干个8个字节进行存储。 (11 00 在class文件中,11 00 进行存储。高位在前,低位在后。 有一些其他的操作系统的存储方式,低位在前,高位在后,存储成 00 11.)

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数据,这种伪结构中只有两种数据类型:“无符号数”和“表”。
·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,为了便于区分,所有表的命名都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据,整个Class文件本质上也可以视作是一张表
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Java的class文件16进制结构解析字节码文件16进制

魔数与主次版本号

每个Class文件的头4个字节被称为魔数(Magic Number),它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。不仅是Class文件,很多文件格式标准中都有使用魔数来进行身份识别的习惯,譬如图片格式,如GIF或者JPEG等在文件头中都存有魔数。使用魔数而不是扩展名来进行识别主要是基于安全考虑,因为文件扩展名可以随意改动。

紧接着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号:
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)。
Java的版本号是从45开始的,JDK 1.1之后的每个JDK大版本发布主版本号向上加1(JDK 1.0~1.1使用了45.0~45.3的版本号),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。
版本号对照
从JDK 9开始,Javac编译器不再支持使用-source参数编译版本号小于1.5的源码。

常量池计数器

紧接着主、次版本号之后的是常量池入口,常量池可以比喻为Class文件里的资源仓库,它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据,通常也是占用Class文件空间最大的数据项目之一,另外,它还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目。

由于常量池中常量的数量是不固定的,所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的数据,代表常量池容量计数值(constant_pool_count)。与Java中语言习惯不同,这个容量计数是从1而不是0开始的。在Class文件格式规范制定之时,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,如果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,可以把索引值设置为0来表示。Class文件结构中只有常量池的容量计数是从1开始,对于其他集合类型,包括接口索引集合、字段表集合、方法表集合等的容量计数都与一般习惯相同,是从0开始。
数量是19但为啥只有18个常量,00是指向常量池第0个常量所以是空的
例子1 :Object类没有父类,他的父类索引指向哪里呢?指向 00 00 (指向常量池里的第 0 个常量,第0 个常量什么都没有,这个第 0 个,就是为了给所有无法指向的情况提供的一个空常量指向)
例子2: 匿名内部类。 (类名称指向哪里?指向 00 00)

常量池

常量池中主要存放两大类常量:字面量(Literal)和 符号引用(Symbolic References)(类加载会提到一个解析过程,符号引用 -> 直接引用)。

字面量比较接近于Java语言层面的常量概念,如文本字符串、被声明为final的常量值等。
符号引用则属于编译原理方面的概念,主要包括下面几类常量:
·被模块导出或者开放的包(Package)
·类和接口的全限定名(Fully Qualified Name)
·字段的名称和描述符(Descriptor)
·方法的名称和描述符
·方法句柄和方法类型(Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic)
·动态调用点和动态常量(Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant)
在Class文件中不会保存各个方法、字段最终在内存中的布局信息,这些字段、方法的符号引用不经过虚拟机在运行期转换的话是无法得到真正的内存入口地址(类加载说。你的虚拟机不运行,你的类就是无用的。一切都要基于jvm运行的时候,类才有他的意义),也就无法直接被虚拟机使用的。当虚拟机做类加载时,将会从常量池获得对应的符号引用,再在类创建时或运行时解析、翻译到具体的内存地址之中。
常量池的项目类型
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访问标志

在常量池结束之后,紧接着的2个字节代表访问标志(access_flags),这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息,包括:这个Class是类还是接口;是否定义为public类型;是否定义为abstract类型;如果是类的话,是否被声明为final;等等。具体的标志位以及标志的含义见表
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类索引及父类索引

类索引(this_class)和父类索引(super_class)都是一个u2类型的数据,而接口索引集合(interfaces)是一组u2类型的数据的集合,Class文件中由这三项数据来确定该类型的继承关系。类索引用于确定这个类的全限定名,父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。由于Java语言不允许多重继承,所以父类索引只有一个,除了java.lang.Object之外,所有的Java类都有父类,因此除了java.lang.Object外,所有Java类的父类索引都不为0。接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口,这些被实现的接口将按implements关键字(如果这个Class文件表示的是一个接口,则应当是extends关键字)后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。

类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示,它们各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量,通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串

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对于接口索引集合,入口的第一项u2类型的数据为接口计数器(interfaces_count),表示索引表的容量。如果该类没有实现任何接口,则该计数器值为0,后面接口的索引表不再占用任何字节。

字段表

字段表(field_info)用于描述接口或者类中声明的变量。Java语言中的“字段”(Field)包括类级变量以及实例级变量,但不包括在方法内部声明的局部变量。字段可以包括的修饰符有字段的作用域(public、private、protected修饰符)、是实例变量还是类变量(static修饰符)、可变性(final)、并发可见性(volatile修饰符,是否强制从主内存读写)、可否被序列化(transient修饰符)、字段数据类型(基本类型、对象、数组)、字段名称。上述这些信息中,各个修饰符都是布尔值,要么有某个修饰符,要么没有,很适合使用标志位来表示。而字段叫做什么名字、字段被定义为什么数据类型,这些都是无法固定的,只能引用常量池中的常量来描述。

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index
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字段表所包含的固定数据项目到descriptor_index为止就全部结束了,不过在descrip-tor_index之后跟随着一个属性表集合,用于存储一些额外的信息,字段表可以在属性表中附加描述零至多项的额外信息。如果将字段m的声明改为“final static int m=123;”,那就可能会存在一项名称为ConstantValue的属性,其值指向常量123。关于attribute_info的其他内容

方法表

.Class文件存储格式中对方法的描述与对字段的描述采用了几乎完全一致的方式,方法表的结构如同字段表一样,依次包括访问标志(access_flags)、名称索引(name_index)、描述符索引(descriptor_index)、属性表集合(attributes)几项

方法里面的代码去哪里了?方法里的Java代码,经过Javac编译器编译成字节码指令之后,存放在方法属性表集合中一个名为“Code”的属性里面,属性表作为Class文件格式中最具扩展性的一种数据项目。

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属性表

属性表(attribute_info)在前面的讲解之中已经出现过数次,Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合,以描述某些场景专有的信息。

与Class文件中其他的数据项目要求严格的顺序、长度和内容不同,属性表集合的限制稍微宽松一些,不再要求各个属性表具有严格顺序,并且《Java虚拟机规范》允许只要不与已有属性名重复,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,Java虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。为了能正确解析Class文件,《Java虚拟机规范》最初只预定义了9项所有Java虚拟机实现都应当能识别的属性,而在最新的《Java虚拟机规范》的Java SE 12版本中,预定义属性已经增加到29项,后文中将对这些属性中的关键的、常用的部分进行讲解。

对于每一个属性,它的名称都要从常量池中引用一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量来表示,而属性值的结构则是完全自定义的,只需要通过一个u4的长度属性去说明属性值所占用的位数即可。一个符合规则的属性表应该满足表中所定义的结构。
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code属性
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Java字节码指令

在Java虚拟机的指令集中,大多数指令都包含其操作所对应的数据类型信息。举个例子,iload指令用于从局部变量表中加载int型的数据到操作数栈中,而fload指令加载的则是float类型的数据。这两条指令的操作在虚拟机内部可能会是由同一段代码来实现的,但在Class文件中它们必须拥有各自独立的操作码。

对于大部分与数据类型相关的字节码指令,它们的操作码助记符中都有特殊的字符来表明专门为哪种数据类型服务:i代表对int类型的数据操作,l代表long,s代表short,b代表byte,c代表char,f代表float,d代表double,a代表reference。也有一些指令的助记符中没有明确指明操作类型的字母,例如arraylength指令,它没有代表数据类型的特殊字符,但操作数永远只能是一个数组类型的对象。还有另外一些指令,例如无条件跳转指令goto则是与数据类型无关的指令。
在Java虚拟机的指令集中,大多数指令都包含其操作所对应的数据类型信息。举个例子,iload指令用于从局部变量表中加载int型的数据到操作数栈中,而fload指令加载的则是float类型的数据。这两条指令的操作在虚拟机内部可能会是由同一段代码来实现的,但在Class文件中它们必须拥有各自独立的操作码。

对于大部分与数据类型相关的字节码指令,它们的操作码助记符中都有特殊的字符来表明专门为哪种数据类型服务:i代表对int类型的数据操作,l代表long,s代表short,b代表byte,c代表char,f代表float,d代表double,a代表reference。也有一些指令的助记符中没有明确指明操作类型的字母,例如arraylength指令,它没有代表数据类型的特殊字符,但操作数永远只能是一个数组类型的对象。还有另外一些指令,例如无条件跳转指令goto则是与数据类型无关的指令。
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转换
创建和访问指令
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