黑马JVM解析笔记（三）：类加载器结构与字节指令，深度剖析.class文件，简单明了

类加载器结构

1. JVM 类文件结构

JVM 类文件是 Java 程序编译后的输出文件格式，它是 Java 程序运行的基础。每个 .class 文件都有一个结构规范：

• magic（魔数）：用于标识该文件是一个有效类文件，4 字节。

• Version（版本号）：分为主版本号和次版本号，各 2 字节。

• Constant Pool（常量池）：是一个索引表，包含多个常量项，每个常量项占 1-5 个字节。

  • Constant Pool Count：表示常量池的项数，占 2 个字节。
  • Constant Pool Entries：表示常量池的条目列表，每个条目有不同的类型，如常量类型、UTF-8 字符串、类、字段、方法等。

• 访问标志（Access Flags）：例如 public 等。

• 类索引（This Class）：指向当前类在常量池的索引。

• 父类索引（Super Class）：指向父类的常量池索引。

• 接口索引集合（Interfaces）：列出当前类实现的接口。

• 字段表（Fields）：列出类所有字段，访问修饰符，字段名索引，字段描述符索引、属性表。

• 方法表（Methods）：列出类所有的方法，每个方法又包含访问标志，方法名称索引，方法描述符索引（返回类型和参数），属性表。

• 属性表（Attributes）：类文件的最后部分是属性表，它是一个可选的字段，包含了类的附加信息，如：

  • SourceFile：源文件的文件名。
  • Code：方法的字节码。
  • Exceptions：方法声明的异常。
  • Deprecated：标识某个类、方法或字段已被废弃。

2. JVM 类结构案例解析

2.1 Java 案例

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

2.2 编译后的字节码

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

解析：

• 魔数： ca fe ba be，表示是否是【class】类型文件。
• 版本： 00 00 00 34，表示 Java 8。
• 常量池： 分为两个部分，一个是常量项，一个是每个常量项的信息。

• 00 23，转为 10 进制表示 35，表示有 35 个常量项。

• 0a 00 06 00 15，第一个常量项信息，tag = 0a（10），查表可以看到是表示方法，后面跟着的 00 06（6） 和 00 15（21），表示所属类和方法名。

• 09 00 16 00 17，tag = 09（9），表示一个成员变量，00 16（22）和 00 17（23），分别表示所属类和成员变量名。

• 注意： 如果 tag 表示 utf-8，就比较特殊，有几个字节表示长度，例如：01 00 12 4c 6f 63 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65，tag = 01（1），表示 utf-8，00 12 （18）就表示长度，后面 18 个字节就是该值。

• 访问标识与继承信息，把常量池 35 项分析完了之后，接着就是访问表示和继承类的信息。例如：

  • 00 21 00 05 00 06 00 00
  • 00 21 表示该 class 是一个类，公共的。
  • 00 05 表示根据常量池中 #5 找到本类全限定名。
  • 00 06 表示根据常量池中 #6 找到父类全限定名。
  • 00 00 表示接口的数量，本类为 0。

• field 信息表： 00 00，本类为 0，后面就没有接着各个成员变量的表项，如果有就直接查表。

• Method 信息， 前面 00 02 表示这个类有两个方法。

每个方法又包含访问标志，方法名称索引，方法描述符索引（返回类型和参数），属性表。

• 红色 00 01 代表访问修饰符（本类中是 public）。

• 蓝色 00 07 代表引用了常量池 #07 项作为方法名称。

• 绿色 00 08 代表引用了常量池 #08 项作为方法参数描述。

• 黄色 00 01 代表方法属性数量，本方法是 1。

• 红色代表方法属性：

  • 00 09 表示引用了常量池 #09 项，发现是【Code】属性，方法需要依赖【Code】属性来执行全部的方法。

  • 00 00 00 2f 表示此属性的长度是 47。

  • 00 01 表示【操作数栈】最大深度，这个方法没进行计算，因此为 1。

  • 00 01 表示【局部变量表】最大槽（slot）数，为 1。

  • 00 00 00 05 表示字节码长度，本例是 5，相等于需要执行指令数量。

  • 2a b7 00 01 b1 是字节码指令。

  • 00 00 00 02 表示方法细节属性数量，本例是 2。

  • 00 0a 表示引用了常量池 #10 项，发现是【LineNumberTable】属性，就是字节码指令对应源码的行数：

    • 00 00 00 06 表示此属性的总长度，本例是 6。
    • 00 01 表示【LineNumberTable】长度。
    • 00 00 表示【字节码】行号，00 04 表示【java 源码】行号。

  • 00 0b 表示引用了常量池 #11 项，发现是【LocalVariableTable】属性，局部变量：

    • 00 00 0c 表示此属性的总长度，本例是 12。
    • 00 01 表示 [LocalVariableTable] 属性。
    • 00 00 05 表示局部变量生命期的范围长度。
    • 00 0c 表示局部变量名称，本例引用常量池 #12 项，是 [this]。
    • 00 0d 表示局部变量的类型，本例引用常量池 #13 项，是 [Ljava/lang/String;]。
    • 00 00 表示局部变量在槽位 (slot) 中的编号，本例是 0。

• 附加属性：

  • 00 01 表示附加属性数量。
  • 00 13 表示引用常量池 #19 项，即 [SourceFile]。
  • 00 00 02 表示此属性的长度。
  • 00 14 表示引用常量池 #20 项，即 [HelloWorld.java]。

2.字节码指令

本代码有两个方法指令，一个是无参构造方法，一个是main方法

2.1 构造方法指令

public cn.itcast.jvm.t5.HelloWorld(); 构造方法的字节码指令

2a b7 00 01 b1

• 2a 表示加载当前对象到栈中
• b7 00 01 表示预备调用哪个方法 00 01是表示在常量池中的索引
• b1 表示返回

2.2 main方法

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

• b2 是表示用来加载哪个静态变量，00 02 表示在常量池第二项
• 12 是表示加载哪个参数 03 表示在常量池第三项
• b6 调用哪个成员方法， 00 04 表示常量池第四项（具体是哪个成员方法）
• b1表示返回

也可以借助javap 工具进行具体分析

总结

• 本文介绍了 Java 类文件（.class 文件）的详细结构和字节码解析。
• 常量池、字段表、方法表 等是 .class 文件的关键部分，它们帮助 JVM 确定类、字段和方法的具体内容。
• 字节码的执行是通过 Code 属性来完成的，而调试信息则通过 LineNumberTable 和 LocalVariableTable 属性来提供。