类加载与字节码技术

2021.02.27 15:02 443
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1. 类文件结构 

一个简单的 HelloWorld.java

// HelloWorld 示例
public class HelloWorld {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("hello world");
	}
}

执行javac -parameters -d . HellowWorld.java

编译为 HelloWorld.class 后是这个样子的:

[root@localhost ~]# od -t xC HelloWorld.class
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09
0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07
0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29
0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e
0000100 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 12 4c 6f 63
0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01
0000140 00 04 74 68 69 73 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63
0000160 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c 6f
0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16
0000220 28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72
0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13
0000260 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69
0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61
0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46
0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64
0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e
0000400 00 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64
0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74
0000440 63 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c
0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61
0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61
0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f
0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72
0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76
0000600 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d
0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a
0000640 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01
0000700 00 07 00 08 00 01 00 09 00 00 00 2f 00 01 00 01
0000720 00 00 00 05 2a b7 00 01 b1 00 00 00 02 00 0a 00
0000740 00 00 06 00 01 00 00 00 04 00 0b 00 00 00 0c 00
0000760 01 00 00 00 05 00 0c 00 0d 00 00 00 09 00 0e 00
0001000 0f 00 02 00 09 00 00 00 37 00 02 00 01 00 00 00
0001020 09 b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 00 00 00 02 00 0a
0001040 00 00 00 0a 00 02 00 00 00 06 00 08 00 07 00 0b
0001060 00 00 00 0c 00 01 00 00 00 09 00 10 00 11 00 00
0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00
0001120 00 00 02 00 14

根据jvm规范,类文件结构如下

	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];

魔数

0-3字节,表示它是否是class类型文件

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09 

版本 

4~7 字节,表示类的版本 00 34(52) 表示是 Java 8 

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09 

常量池 

8~9 字节,表示常量池长度,00 23 (35) 表示常量池有 #1~#34项,注意 #0 项不计入,也没有值 0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09 

第#1项 0a 表示一个 Method 信息,00 06 和 00 15(21) 表示它引用了常量池中 #6 和 #21 项来获得 这个方法的【所属类】和【方法名】 

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09 

第#2项 09 表示一个 Field 信息,00 16(22)和 00 17(23) 表示它引用了常量池中 #22 和 # 23 项 来获得这个成员变量的【所属类】和【成员变量名】 

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09 

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07 

第#3项 08 表示一个字符串常量名称,00 18(24)表示它引用了常量池中 #24 项 

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07 

第#4项 0a 表示一个 Method 信息,00 19(25) 和 00 1a(26) 表示它引用了常量池中 #25 和 #26 项来获得这个方法的【所属类】和【方法名】 

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07 

访问标识与继承信息

21 表示该 class 是一个类,公共的 

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01 

05 表示根据常量池中 #5 找到本类全限定名 

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01 

06 表示根据常量池中 #6 找到父类全限定名 

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01 

表示接口的数量,本类为 0 

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

2. 字节码指令 

入门 

接着上一节,研究一下两组字节码指令,一个是 public cn.itcast.jvm.t5.HelloWorld(); 构造方法的字节码指令

1. 2a => aload_0 加载 slot 0 的局部变量,即 this,做为下面的 invokespecial 构造方法调用的参数 

2. b7 => invokespecial 预备调用构造方法,哪个方法呢? 

3. 00 01 引用常量池中 #1 项,即【 Method java/lang/Object."":()V 】 

4. b1 表示返回

另一个是 public static void main(java.lang.String[]); 主方法的字节码指令 

b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1

1. b2 => getstatic 用来加载静态变量,哪个静态变量呢? 

2. 00 02 引用常量池中 #2 项,即【Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;】 

3. 12 => ldc 加载参数,哪个参数呢? 

4. 03 引用常量池中 #3 项,即 【String hello world】 

5. b6 => invokevirtual 预备调用成员方法,哪个方法呢? 

6. 00 04 引用常量池中 #4 项,即【Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V】 

7. b1 表示返回

javap 工具 

自己分析类文件结构太麻烦了,Oracle 提供了 javap 工具来反编译 class 文件 

[root@localhost ~]# javap -v HelloWorld.class

图解方法执行流程

原始 java 代码

package cn.itcast.jvm.t3.bytecode;
/**
* 演示 字节码指令 和 操作数栈、常量池的关系
*/
public class Demo3_1 {
	public static void main(String[] args) {
		int a = 10;
		int b = Short.MAX_VALUE + 1;
		int c = a + b;
		System.out.println(c);
	}
}

编译后的字节码文件

[root@localhost ~]# javap -v HelloWorld.class

常量池载入运行时常量池

方法字节码载入方法区 

main 线程开始运行,分配栈帧内存

执行引擎开始执行字节码

bipush 10

  • 将一个 byte 压入操作数栈(其长度会补齐 4 个字节),类似的指令还有 
  • sipush 将一个 short 压入操作数栈(其长度会补齐 4 个字节) 
  • ldc 将一个 int 压入操作数栈 
  • ldc2_w 将一个 long 压入操作数栈(分两次压入,因为 long 是 8 个字节) 
  • 这里小的数字都是和字节码指令存在一起,超过 short 范围的数字存入了常量池

istore_1

  • 将操作数栈顶数据弹出,存入局部变量表的 slot 1

ldc #3

  • 从常量池加载 #3 数据到操作数栈 
  • 注意 Short.MAX_VALUE 是 32767,所以 32768 = Short.MAX_VALUE + 1 实际是在编译期间计算 好的 

istore_2 

3. 编译期处理

4. 类加载阶段

5. 类加载器 

6. 运行期优化

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