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? ? ?

? ?正文? ?

/???Java字節(jié)碼? ?/

計算機(jī)只認(rèn)識0和1。這意味著任何語言編寫的程序最終都需要經(jīng)過編譯器編譯成機(jī)器碼才能被計算機(jī)執(zhí)行。所以，我們所編寫的程序在不同的平臺上運行前都要經(jīng)過重新編譯才能被執(zhí)行。而Java剛誕生的時候曾經(jīng)提過一個非常著名的宣傳口號:?"一次編寫，到處運行"。

Write Once, Run Anywhere.

為了實現(xiàn)該目的，Sun公司以及其他虛擬機(jī)提供商發(fā)布了許多可以運行在不同平臺上的JVM虛擬機(jī)，而這些虛擬機(jī)都擁有一個共同的功能，那就是可以載入和執(zhí)行同一種與平臺無關(guān)的字節(jié)碼(ByteCode)。?

于是，我們的源代碼不再必須根據(jù)不同平臺翻譯成0和1，而是間接翻譯成字節(jié)碼，儲存字節(jié)碼的文件再交由運行于不同平臺上的JVM虛擬機(jī)去讀取執(zhí)行，從而實現(xiàn)一次編寫，到處運行的目的。

如今，JVM也不再只支持Java，由此衍生出了許多基于JVM的編程語言，如Groovy, Scala, Koltin等等。

源代碼中的各種變量，關(guān)鍵字和運算符號的語義最終都會編譯成多條字節(jié)碼命令。而字節(jié)碼命令所能提供的語義描述能力是要明顯強(qiáng)于Java本身的，所以有其他一些同樣基于JVM的語言能提供許多Java所不支持的語言特性。

/???例子? ?/

下面以一個簡單的例子來逐步講解字節(jié)碼。

//Main.java
public?class?Main?{

????private?int?m;

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

通過以下命令, 可以在當(dāng)前所在路徑下生成一個?Main.class?文件。

javac?Main.java

以文本的形式打開生成的class文件，內(nèi)容如下:

cafe?babe?0000?0034?0013?0a00?0400?0f09
0003?0010?0700?1107?0012?0100?016d?0100
0149?0100?063c?696e?6974?3e01?0003?2829
5601?0004?436f?6465?0100?0f4c?696e?654e
756d?6265?7254?6162?6c65?0100?0369?6e63
0100?0328?2949?0100?0a53?6f75?7263?6546
696c?6501?0009?4d61?696e?2e6a?6176?610c
0007?0008?0c00?0500?0601?0010?636f?6d2f
7268?7974?686d?372f?4d61?696e?0100?106a
6176?612f?6c61?6e67?2f4f?626a?6563?7400
2100?0300?0400?0000?0100?0200?0500?0600
0000?0200?0100?0700?0800?0100?0900?0000
1d00?0100?0100?0000?052a?b700?01b1?0000
0001?000a?0000?0006?0001?0000?0003?0001
000b?000c?0001?0009?0000?001f?0002?0001
0000?0007?2ab4?0002?0460?ac00?0000?0100
0a00?0000?0600?0100?0000?0800?0100?0d00
0000?0200?0e

對于文件中的16進(jìn)制代碼，除了開頭的cafe babe，剩下的內(nèi)容大致可以翻譯成:啥玩意啊這......

英雄莫慌，我們就從我們所能認(rèn)識的"cafe babe"講起吧。文件開頭的4個字節(jié)稱之為?魔數(shù)，唯有以"cafe babe"開頭的class文件方可被虛擬機(jī)所接受，這4個字節(jié)就是字節(jié)碼文件的身份識別。

目光右移，0000是編譯器jdk版本的次版本號0，0034轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制是52,是主版本號，java的版本號從45開始，除1.0和1.1都是使用45.x外,以后每升一個大版本，版本號加一。也就是說，編譯生成該class文件的jdk版本為1.8.0。通過java -version命令稍加驗證, 可得結(jié)果。

Java(TM)?SE?Runtime?Environment?(build?1.8.0_131-b11)
Java?HotSpot(TM)?64-Bit?Server?VM?(build?25.131-b11,?mixed?mode)

結(jié)果驗證成立。

繼續(xù)往下是常量池。但我并不打算繼續(xù)直接分析這個十六進(jìn)制文件，這樣會比較繁瑣，我們通過另一種更容易讓人看懂的方式來分析這個class文件。

反編譯字節(jié)碼文件

使用到j(luò)ava內(nèi)置的一個反編譯工具javap可以反編譯字節(jié)碼文件。通過javap -help可了解javap的基本用法

用法:?javap?<options>?<classes>
其中,?可能的選項包括:
??-help??--help??-?????????輸出此用法消息
??-version?????????????????版本信息
??-v??-verbose?????????????輸出附加信息
??-l???????????????????????輸出行號和本地變量表
??-public ?????????????????僅顯示公共類和成員
??-protected ??????????????顯示受保護(hù)的/公共類和成員
??-package?????????????????顯示程序包/受保護(hù)的/公共類
???????????????????????????和成員?(默認(rèn))
??-p??-private?????????????顯示所有類和成員
??-c???????????????????????對代碼進(jìn)行反匯編
??-s???????????????????????輸出內(nèi)部類型簽名
??-sysinfo?????????????????顯示正在處理的類的
???????????????????????????系統(tǒng)信息?(路徑,?大小,?日期,?MD5?散列)
??-constants???????????????顯示最終常量
??-classpath?<path>????????指定查找用戶類文件的位置
??-cp?<path>???????????????指定查找用戶類文件的位置
??-bootclasspath?<path>????覆蓋引導(dǎo)類文件的位置

輸入命令javap -verbose -p Main.class查看輸出內(nèi)容:

Classfile?/E:/JavaCode/TestProj/out/production/TestProj/com/rhythm7/Main.class
??Last?modified?2018-4-7;?size?362?bytes
??MD5?checksum?4aed8540b098992663b7ba08c65312de
??Compiled?from?"Main.java"
public?class?com.rhythm7.Main
??minor?version:?0
??major?version:?52
??flags:?ACC_PUBLIC,?ACC_SUPER
Constant?pool:
???#1?=?Methodref??????????#4.#18?????????//?java/lang/Object."":()V
???#2?=?Fieldref???????????#3.#19?????????//?com/rhythm7/Main.m:I
???#3?=?Class??????????????#20????????????//?com/rhythm7/Main
???#4?=?Class??????????????#21????????????//?java/lang/Object
???#5?=?Utf8???????????????m
???#6?=?Utf8???????????????I
???#7?=?Utf8???????????????
???#8?=?Utf8???????????????()V
???#9?=?Utf8???????????????Code
??#10?=?Utf8???????????????LineNumberTable
??#11?=?Utf8???????????????LocalVariableTable
??#12?=?Utf8???????????????this
??#13?=?Utf8???????????????Lcom/rhythm7/Main;
??#14?=?Utf8???????????????inc
??#15?=?Utf8???????????????()I
??#16?=?Utf8???????????????SourceFile
??#17?=?Utf8???????????????Main.java
??#18?=?NameAndType????????#7:#8??????????//?"":()V
??#19?=?NameAndType????????#5:#6??????????//?m:I
??#20?=?Utf8???????????????com/rhythm7/Main
??#21?=?Utf8???????????????java/lang/Object
{
??private?int?m;
????descriptor:?I
????flags:?ACC_PRIVATE

??public?com.rhythm7.Main();
????descriptor:?()V
????flags:?ACC_PUBLIC
????Code:
??????stack=1,?locals=1,?args_size=1
?????????0:?aload_0
?????????1:?invokespecial?#1??????????????????//?Method?java/lang/Object."":()V
?????????4:?return
??????LineNumberTable:
????????line?3:?0
??????LocalVariableTable:
????????Start??Length??Slot??Name???Signature
????????????0???????5?????0??this???Lcom/rhythm7/Main;

??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?8:?0
??????LocalVariableTable:
????????Start??Length??Slot??Name???Signature
????????????0???????7?????0??this???Lcom/rhythm7/Main;
}
SourceFile:?"Main.java"

字節(jié)碼文件信息

開頭的7行信息包括:Class文件當(dāng)前所在位置，最后修改時間，文件大小，MD5值，編譯自哪個文件，類的全限定名，jdk次版本號，主版本號。然后緊接著的是該類的訪問標(biāo)志：ACC_PUBLIC,?ACC_SUPER，訪問標(biāo)志的含義如下:

常量池

Constant pool意為常量池。常量池可以理解成Class文件中的資源倉庫。主要存放的是兩大類常量：字面量(Literal)和符號引用(Symbolic References)。字面量類似于java中的常量概念，如文本字符串，final常量等，而符號引用則屬于編譯原理方面的概念，包括以下三種:

類和接口的全限定名(Fully Qualified Name)
字段的名稱和描述符號(Descriptor)
方法的名稱和描述符

不同于C/C++, JVM是在加載Class文件的時候才進(jìn)行的動態(tài)鏈接，也就是說這些字段和方法符號引用只有在運行期轉(zhuǎn)換后才能獲得真正的內(nèi)存入口地址。當(dāng)虛擬機(jī)運行時，需要從常量池獲得對應(yīng)的符號引用，再在類創(chuàng)建或運行時解析并翻譯到具體的內(nèi)存地址中。

直接通過反編譯文件來查看字節(jié)碼內(nèi)容：

#1?=?Methodref??????????#4.#18?????????//?java/lang/Object."":()V
#4?=?Class??????????????#21????????????//?java/lang/Object
#7?=?Utf8???????????????
#8?=?Utf8???????????????()V
#18?=?NameAndType????????#7:#8??????????//?"":()V
#21?=?Utf8???????????????java/lang/Object

第一個常量是一個方法定義，指向了第4和第18個常量。以此類推查看第4和第18個常量。最后可以拼接成第一個常量右側(cè)的注釋內(nèi)容:

java/lang/Object."":()V

這段可以理解為該類的實例構(gòu)造器的聲明，由于Main類沒有重寫構(gòu)造方法，所以調(diào)用的是父類的構(gòu)造方法。此處也說明了Main類的直接父類是Object。該方法默認(rèn)返回值是V, 也就是void，無返回值。

同理可分析第二個常量:

#2?=?Fieldref???????????#3.#19?????????//?com/rhythm7/Main.m:I
#3?=?Class??????????????#20????????????//?com/rhythm7/Main
#5?=?Utf8???????????????m
#6?=?Utf8???????????????I
#19?=?NameAndType????????#5:#6??????????//?m:I
#20?=?Utf8???????????????com/rhythm7/Main

此處聲明了一個字段m，類型為I, I即是int類型。關(guān)于字節(jié)碼的類型對應(yīng)如下：

對于數(shù)組類型，每一位使用一個前置的"["字符來描述，如定義一個java.lang.String[][]類型的維數(shù)組，將被記錄為"[[Ljava/lang/String;"

方法表集合

在常量池之后的是對類內(nèi)部的方法描述，在字節(jié)碼中以表的集合形式表現(xiàn)，暫且不管字節(jié)碼文件的16進(jìn)制文件內(nèi)容如何，我們直接看反編譯后的內(nèi)容。

private?int?m;
??descriptor:?I
??flags:?ACC_PRIVATE

此處聲明了一個私有變量m，類型為int，返回值為int

public?com.rhythm7.Main();
???descriptor:?()V
???flags:?ACC_PUBLIC
???Code:
?????stack=1,?locals=1,?args_size=1
????????0:?aload_0
????????1:?invokespecial?#1??????????????????//?Method?java/lang/Object."":()V
????????4:?return
?????LineNumberTable:
???????line?3:?0
?????LocalVariableTable:
???????Start??Length??Slot??Name???Signature
???????????0???????5?????0??this???Lcom/rhythm7/Main;

這里是構(gòu)造方法：Main()，返回值為void, 公開方法。code內(nèi)的主要屬性為:

stack?最大操作數(shù)棧，JVM運行時會根據(jù)這個值來分配棧幀(Frame)中的操作棧深度,此處為1

locals:局部變量所需的存儲空間，單位為Slot, Slot是虛擬機(jī)為局部變量分配內(nèi)存時所使用的最小單位，為4個字節(jié)大小。方法參數(shù)(包括實例方法中的隱藏參數(shù)this)，顯示異常處理器的參數(shù)(try catch中的catch塊所定義的異常)，方法體中定義的局部變量都需要使用局部變量表來存放。值得一提的是，locals的大小并不一定等于所有局部變量所占的Slot之和，因為局部變量中的Slot是可以重用的。

args_size:方法參數(shù)的個數(shù)，這里是1，因為每個實例方法都會有一個隱藏參數(shù)this

attribute_info方法體內(nèi)容，0,1,4為字節(jié)碼"行號"，該段代碼的意思是將第一個引用類型本地變量推送至棧頂，然后執(zhí)行該類型的實例方法，也就是常量池存放的第一個變量，也就是注釋里的"java/lang/Object."":()V", 然后執(zhí)行返回語句，結(jié)束方法。

LineNumberTable該屬性的作用是描述源碼行號與字節(jié)碼行號(字節(jié)碼偏移量)之間的對應(yīng)關(guān)系?？梢允褂?-g:none 或-g:lines選項來取消或要求生成這項信息，如果選擇不生成LineNumberTable，當(dāng)程序運行異常時將無法獲取到發(fā)生異常的源碼行號，也無法按照源碼的行數(shù)來調(diào)試程序。

LocalVariableTable該屬性的作用是描述幀棧中局部變量與源碼中定義的變量之間的關(guān)系。可以使用 -g:none 或 -g:vars來取消或生成這項信息，如果沒有生成這項信息，那么當(dāng)別人引用這個方法時，將無法獲取到參數(shù)名稱，取而代之的是arg0, arg1這樣的占位符。start 表示該局部變量在哪一行開始可見，length表示可見行數(shù)，Slot代表所在幀棧位置，Name是變量名稱，然后是類型簽名。

同理可以分析Main類中的另一個方法"inc()": 方法體內(nèi)的內(nèi)容是：將this入棧，獲取字段#2并置于棧頂, 將int類型的1入棧，將棧內(nèi)頂部的兩個數(shù)值相加，返回一個int類型的值。

SourceFile

源碼文件名稱

/???實戰(zhàn)? ?/

分析try-catch-finally

通過以上一個最簡單的例子，可以大致了解源碼被編譯成字節(jié)碼后是什么樣子的。下面利用所學(xué)的知識點來分析一些Java問題:

public?class?TestCode?{
????public?int?foo()?{
????????int?x;
????????try?{
????????????x?=?1;
????????????return?x;
????????}?catch?(Exception?e)?{
????????????x?=?2;
????????????return?x;
????????}?finally?{
????????????x?=?3;
????????}
????}
}

試問當(dāng)不發(fā)生異常和發(fā)生異常的情況下，foo()的返回值分別是多少。使出老手段

public?class?TestCode?{
javac?TestCode.java
javap?-verbose?TestCode.class

查看字節(jié)碼的foo方法內(nèi)容:

public?int?foo();
????descriptor:?()I
????flags:?ACC_PUBLIC
????Code:
??????stack=1,?locals=5,?args_size=1
?????????0:?iconst_1?//int型1入棧?->棧頂=1
?????????1:?istore_1?//將棧頂?shù)膇nt型數(shù)值存入第二個局部變量?->局部2=1
?????????2:?iload_1?//將第二個int型局部變量推送至棧頂?->棧頂=1
?????????3:?istore_2?//!!將棧頂int型數(shù)值存入第三個局部變量?->局部3=1

?????????4:?iconst_3?//int型3入棧?->棧頂=3
?????????5:?istore_1?//將棧頂?shù)膇nt型數(shù)值存入第二個局部變量?->局部2=3
?????????6:?iload_2?//!!將第三個int型局部變量推送至棧頂?->棧頂=1
?????????7:?ireturn?//從當(dāng)前方法返回棧頂int數(shù)值?->1

?????????8:?astore_2?//?->局部3=Exception
?????????9:?iconst_2?//?->棧頂=2
????????10:?istore_1?//?->局部2=2
????????11:?iload_1?//->棧頂=2
????????12:?istore_3?//!!?->局部4=2

????????13:?iconst_3?//?->棧頂=3
????????14:?istore_1?//?->局部1=3
????????15:?iload_3?//!!?->棧頂=2
????????16:?ireturn?//?->?2

????????17:?astore????????4?//將棧頂引用型數(shù)值存入第五個局部變量=any
????????19:?iconst_3?//將int型數(shù)值3入棧?->?棧頂3
????????20:?istore_1?//將棧頂?shù)谝粋€int數(shù)值存入第二個局部變量?->?局部2=3
????????21:?aload?????????4?//將局部第五個局部變量(引用型)推送至棧頂
????????23:?athrow?//將棧頂?shù)漠惓伋?/span>
??????Exception?table:
?????????from????to??target?type
?????????????0?????4?????8???Class?java/lang/Exception?//0到4行對應(yīng)的異常，對應(yīng)#8中儲存的異常
?????????????0?????4????17???any?//Exeption之外的其他異常
?????????????8????13????17???any
????????????17????19????17???any

在字節(jié)碼的4,5，以及13,14中執(zhí)行的是同一個操作，就是將int型的3入操作數(shù)棧頂，并存入第二個局部變量。這正是我們源碼在finally語句塊中內(nèi)容。也就是說，JVM在處理異常時，會在每個可能的分支都將finally語句重復(fù)執(zhí)行一遍。通過一步步分析字節(jié)碼，可以得出最后的運行結(jié)果是：

不發(fā)生異常時: return 1
發(fā)生異常時: return 2
發(fā)生非Exception及其子類的異常，拋出異常，不返回值

以上例子來自于《深入理解Java虛擬機(jī) JVM高級特性與最佳實踐》關(guān)于虛擬機(jī)字節(jié)碼指令表，也可以在《深入理解Java虛擬機(jī) JVM高級特性與最佳實踐-附錄B》中獲取。

kotlin 函數(shù)擴(kuò)展的實現(xiàn)

kotlin提供了擴(kuò)展函數(shù)的語言特性，借助這個特性，我們可以給任意對象添加自定義方法。以下示例為Object添加"sayHello"方法

//SayHello.kt
package?com.rhythm7

fun?Any.sayHello()?{
????println("Hello")
}

編譯后，使用javap查看生成SayHelloKt.class文件的字節(jié)碼。

Classfile?/E:/JavaCode/TestProj/out/production/TestProj/com/rhythm7/SayHelloKt.class
Last?modified?2018-4-8;?size?958?bytes
?MD5?checksum?780a04b75a91be7605cac4655b499f19
?Compiled?from?"SayHello.kt"
public?final?class?com.rhythm7.SayHelloKt
?minor?version:?0
?major?version:?52
?flags:?ACC_PUBLIC,?ACC_FINAL,?ACC_SUPER
Constant?pool:
????//省略常量池部分字節(jié)碼
{
?public?static?final?void?sayHello(java.lang.Object);
???descriptor:?(Ljava/lang/Object;)V
???flags:?ACC_PUBLIC,?ACC_STATIC,?ACC_FINAL
???Code:
?????stack=2,?locals=2,?args_size=1
????????0:?aload_0
????????1:?ldc???????????#9??????????????????//?String?$receiver
????????3:?invokestatic??#15?????????????????//?Method?kotlin/jvm/internal/Intrinsics.checkParameterIsNotNull:(Ljava/lang/Object;Ljava/lang/String;)V
????????6:?ldc???????????#17?????????????????//?String?Hello
????????8:?astore_1
????????9:?getstatic?????#23?????????????????//?Field?java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
???????12:?aload_1
???????13:?invokevirtual?#28?????????????????//?Method?java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
???????16:?return
?????LocalVariableTable:
???????Start??Length??Slot??Name???Signature
???????????0??????17?????0?$receiver???Ljava/lang/Object;
?????LineNumberTable:
???????line?4:?6
???????line?5:?16
???RuntimeInvisibleParameterAnnotations:
?????0:
???????0:?#7()
}
SourceFile:?"SayHello.kt"

觀察頭部發(fā)現(xiàn),koltin為文件SayHello生成了一個類，類名"com.rhythm7.SayHelloKt". 由于我們一開始編寫SayHello.kt時并不希望SayHello是一個可實例化的對象類，所以，SayHelloKt是無法被實例化的，SayHelloKt并沒有任何一個構(gòu)造器。再觀察唯一的一個方法：發(fā)現(xiàn)Any.sayHello()的具體實現(xiàn)是靜態(tài)不可變方法的形式:

public?static?final?void?sayHello(java.lang.Object);

所以當(dāng)我們在其他地方使用Any.sayHello()時，事實上等同于調(diào)用java的SayHelloKt.sayHello(Object)方法。

順便一提的是，當(dāng)擴(kuò)展的方法為Any時，意味著Any是non-null的，這時，編譯器會在方法體的開頭檢查參數(shù)的非空，即調(diào)用kotlin.jvm.internal.Intrinsics.checkParameterIsNotNull(Object value, String paramName)方法來檢查傳入的Any類型對象是否為空。

如果我們擴(kuò)展的函數(shù)為Any?.sayHello()，那么在編譯后的文件中則不會有這段字節(jié)碼的出現(xiàn)。

來源：juejin.im/post/6844903588716609543
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感謝閱讀

輕松看懂Java字節(jié)碼，看了都說好！