玩命學(xué)JVM：認(rèn)識JVM和字節(jié)碼文件

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source：https://www.cnblogs.com/cleverziv/p/13751488.html

本篇文章的思維導(dǎo)圖

一、JVM的簡單介紹

1.1 JVM是什么？

JVM (java virtual machine)，java虛擬機(jī)，是一個虛構(gòu)出來的計算機(jī)，但是有自己完善的硬件結(jié)構(gòu)：處理器、堆棧、寄存器等。java虛擬機(jī)是用于執(zhí)行字節(jié)碼文件的。

1.2 JAVA為什么能跨平臺？

首先我們可以問一個這樣的問題，為什么 C 語言不能跨平臺？如下圖：

C語言在不同平臺上的對應(yīng)的編譯器會將其編譯為不同的機(jī)器碼文件，不同的機(jī)器碼文件只能在本平臺中運行。

而java文件的執(zhí)行過程如圖：

java通過javac將源文件編譯為.class文件（字節(jié)碼文件），該字節(jié)碼文件遵循了JVM的規(guī)范，使其可以在不同系統(tǒng)的JVM下運行。

小結(jié)

• java 代碼不是直接在計算機(jī)上執(zhí)行的，而是在JVM中執(zhí)行的，不同操作系統(tǒng)下的 JVM 不同，但是會提供相同的接口。

• javac 會先將 .java 文件編譯成二進(jìn)制字節(jié)碼文件，字節(jié)碼文件與操作系統(tǒng)平臺無關(guān)，只面向 JVM， 注意同一段代碼的字節(jié)碼文件是相同的。

• 接著JVM執(zhí)行字節(jié)碼文件，不同操作系統(tǒng)下的JVM會將同樣的字節(jié)碼文件映射為不同系統(tǒng)的API調(diào)用。

• JVM不是跨平臺的，java是跨平臺的。

1.3 JVM為什么跨語言

前面提到".class文件是一種遵循了JVM規(guī)范的字節(jié)碼文件"，那么不難想到，只要另一種語言也同樣了遵循了JVM規(guī)范，可將其源文件編譯為.class文件，就也能在 JVM 上運行。如下圖：

1.4 JDK、JRE、JVM的關(guān)系

我們看一下官方給的圖：

1.4.1 三者定義

• JDK：JDK(Java SE Development Kit)，Java標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)包，它提供了編譯、運行Java程序所需的各種工具和資源，包括Java編譯器（javac）、Java運行時環(huán)境(JRE)，以及常用的Java類庫等。

• JRE：JRE( Java Runtime Environment) 、Java運行環(huán)境，用于解釋執(zhí)行Java的字節(jié)碼文件。普通用戶而只需要安裝 JRE 來運行 Java 程序。而程序開發(fā)者必須安裝JDK來編譯、調(diào)試程序。

• JVM：JVM(Java Virtual Mechinal)，是JRE的一部分。負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行字節(jié)碼文件，是可運行java字節(jié)碼文件的虛擬計算機(jī)。

1.4.2 區(qū)別和聯(lián)系

1. JDK 用于開發(fā)，JRE 用于運行java程序 ；如果只是運行Java程序，可以只安裝JRE，無需安裝JDK。

2. JDk包含JRE，JDK 和 JRE 中都包含 JVM。

3. JVM 是 java 編程語言的核心并且具有平臺獨立性。

二、字節(jié)碼文件詳解

官方文檔地址：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se11/html/jvms-4.html#jvms-4.1

2.1 字節(jié)碼文件的結(jié)構(gòu)

ClassFile?{
????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];
}

• "ClassFile"中的“u4、u2”等指的是每項數(shù)據(jù)的所占的長度，u4表示占4個字節(jié)，u2表示占2個字節(jié)，以此類推。

• .class文件是以16進(jìn)制組織的，一個16進(jìn)制位可以用4個2進(jìn)制位表示，一個2進(jìn)制位是一個bit，所以一個16進(jìn)制位是4個bit，兩個16進(jìn)制位就是8bit = 1 byte。以Main.class文件的開頭cafe為例分析：
  
  因此 u4 對應(yīng)4個字節(jié)，就是?cafe babe

接下來先分析?ClassFile的結(jié)構(gòu)：

1. magic
   在 class 文件開頭的四個字節(jié)， 存放著 class 文件的魔數(shù)， 這個魔數(shù)是 class 文件的標(biāo)志，是一個固定的值：0xcafebabe 。也就是說他是判斷一個文件是不是 class 格式的文件的標(biāo)準(zhǔn)， 如果開頭四個字節(jié)不是 0xcafebabe ， 那么就說明它不是 class 文件， 不能被 JVM 識別。

2. minor_version 和 major_version
   次版本號和主版本號決定了該class file文件的版本，如果 major_version 記作 M，minor_version 記作 m ，則該文件的版本號為：M.m。因此，可以按字典順序?qū)︻愇募袷降陌姹具M(jìn)行排序，例如1.5 <2.0 <2.1。當(dāng)且僅當(dāng)v處于 Mi.0≤v≤Mj.m 的某個連續(xù)范圍內(nèi)時，Java 虛擬機(jī)實現(xiàn)才能支持版本 v 的類文件格式。范圍列表如下：
   

3. constant_pool_count
   constant_pool_count 項的值等于 constant_pool 表中的條目數(shù)加1。如果 constant_pool 索引大于零且小于 constant_pool_count，則該索引被視為有效，但 CONSTANT_Long_info 和CONSTANT_Double_info 類型的常量除外。

4. constant_pool
   constant_pool 是一個結(jié)構(gòu)表，表示各種字符串常量，類和接口名稱，字段名稱以及在ClassFile 結(jié)構(gòu)及其子結(jié)構(gòu)中引用的其他常量。每個 constant_pool 表條目的格式由其第一個“標(biāo)簽”字節(jié)指示。constant_pool 表的索引從1到 constant_pool_count-1。
   Java虛擬機(jī)指令不依賴于類，接口，類實例或數(shù)組的運行時布局。相反，指令引用了constant_pool 表中的符號信息。
   所有 constant_pool 表條目均具有以下常規(guī)格式：

   cp_info {
       u1 tag;
       u1 info[];
   }
   

constant_pool 表中的每個條目都必須以一個1字節(jié)的標(biāo)簽開頭，該標(biāo)簽指示該條目表示的常量的種類。常量有17種，在下表中列出，并帶有相應(yīng)的標(biāo)記。每個標(biāo)簽字節(jié)后必須跟兩個或多個字節(jié)，以提供有關(guān)特定常數(shù)的信息。附加信息的格式取決于標(biāo)簽字節(jié)，即info數(shù)組的內(nèi)容隨標(biāo)簽的值而變化。

5. access_flags
   access_flags 項的值是標(biāo)志的掩碼，用于表示對該類或接口的訪問權(quán)限和屬性。設(shè)置后，每個標(biāo)志的解釋在下表中指定。
   

6. this_class
   this_class 項目的值必須是指向 constant_pool 表的有效索引。該索引處的 constant_pool 條目必須是代表此類文件定義的類或接口的 CONSTANT_Class_info 結(jié)構(gòu)。

   CONSTANT_Class_info {
         u1 tag;
         u2 name_index;
   }
   

7. super_class
   對于一個類，父類索引的值必須為零或必須是 constant_pool 表中的有效索引。如果super_class 項的值非零，則該索引處的 constant_pool 條目必須是 CONSTANT_Class_info 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)表示此類文件定義的類的直接超類。直接超類或其任何超類都不能在其 ClassFile結(jié)構(gòu)的 access_flags 項中設(shè)置 ACC_FINAL 標(biāo)志。如果 super_class 項的值為零，則該類只可能是 java.lang.Object ，這是沒有直接超類的唯一類或接口。對于接口，父類索引的值必須始終是 constant_pool 表中的有效索引。該索引處的 constant_pool 條目必須是 java.lang.Object 的CONSTANT_Class_info 結(jié)構(gòu)。

8. interfaces_count
   interfaces_count 項目的值給出了此類或接口類型的直接超接口的數(shù)量。

9. interfaces[]
   接口表的每個值都必須是 constant_pool 表中的有效索引。interfaces [i]的每個值（其中0≤i

10. fields_count
    字段計數(shù)器的值給出了 fields 表中 field_info 結(jié)構(gòu)的數(shù)量。field_info 結(jié)構(gòu)代表此類或接口類型聲明的所有字段，包括類變量和實例變量。

11. fields[]
    字段表中的每個值都必須是field_info結(jié)構(gòu)，以提供對該類或接口中字段的完整描述。字段表僅包含此類或接口聲明的字段，不包含從超類或超接口繼承的字段。
    字段結(jié)構(gòu)如下：

          field_info {
              u2             access_flags;
              u2             name_index;
              u2             descriptor_index;
              u2             attributes_count;
              attribute_info attributes[attributes_count];
          }
    

12. methods_count
    方法計數(shù)器的值表示方法表中 method_info 結(jié)構(gòu)的數(shù)量。

13. methods[]
    方法表中的每個值都必須是 method_info 結(jié)構(gòu)，以提供對該類或接口中方法的完整描述。如果在 method_info 結(jié)構(gòu)的 access_flags 項中均未設(shè)置 ACC_NATIVE 和 ACC_ABSTRACT 標(biāo)志，則還將提供實現(xiàn)該方法的Java虛擬機(jī)指令；
    method_info 結(jié)構(gòu)表示此類或接口類型聲明的所有方法，包括實例方法，類方法，實例初始化方法以及任何類或接口初始化的方法。方法表不包含表示從超類或超接口繼承的方法。
    方法具有如下結(jié)構(gòu)：

        method_info {
            u2             access_flags;
            u2             name_index;
            u2             descriptor_index;
            u2             attributes_count;
            attribute_info attributes[attributes_count];
        }
    

14. attributes_count
    屬性計數(shù)器的值表示當(dāng)前類的屬性表中的屬性數(shù)量。

15. attributes[]
    注意，這里的屬性并不是Java代碼里面的類屬性(類字段)，而是Java源文件便已有特有的一些屬性(不要與 fields 混淆)，屬性的結(jié)構(gòu)：
    xml attribute_info { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u1 info[attribute_length]; }
    屬性列表：
    

2.2 實例分析

首先寫一段Java程序，我們熟悉的“Hello World”

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

使用javac Main.java編譯生成Main.class文件：

cafe?babe?0000?0034?001d?0a00?0600?0f09
0010?0011?0800?120a?0013?0014?0700?1507
0016?0100?063c?696e?6974?3e01?0003?2829
5601?0004?436f?6465?0100?0f4c?696e?654e
756d?6265?7254?6162?6c65?0100?046d?6169
6e01?0016?285b?4c6a?6176?612f?6c61?6e67
2f53?7472?696e?673b?2956?0100?0a53?6f75
7263?6546?696c?6501?0009?4d61?696e?2e6a
6176?610c?0007?0008?0700?170c?0018?0019
0100?0b48?656c?6c6f?2057?6f72?6c64?0700
1a0c?001b?001c?0100?044d?6169?6e01?0010
6a61?7661?2f6c?616e?672f?4f62?6a65?6374
0100?106a?6176?612f?6c61?6e67?2f53?7973
7465?6d01?0003?6f75?7401?0015?4c6a?6176
612f?696f?2f50?7269?6e74?5374?7265?616d
3b01?0013?6a61?7661?2f69?6f2f?5072?696e
7453?7472?6561?6d01?0007?7072?696e?746c
6e01?0015?284c?6a61?7661?2f6c?616e?672f
5374?7269?6e67?3b29?5600?2100?0500?0600
0000?0000?0200?0100?0700?0800?0100?0900
0000?1d00?0100?0100?0000?052a?b700?01b1
0000?0001?000a?0000?0006?0001?0000?0001
0009?000b?000c?0001?0009?0000?0025?0002
0001?0000?0009?b200?0212?03b6?0004?b100
0000?0100?0a00?0000?0a00?0200?0000?0400
0800?0500?0100?0d00?0000?0200?0e

開始按照以上知識破譯上面的Main.class文件
按順序解析，首先是前10個字節(jié)：

cafe babe // 魔法數(shù)，標(biāo)識為.class字節(jié)碼文件
0000 0034 //版本號 52.0
001d //常量池長度 constant_pool_count 29-1=28

接著開始解析常量，先查看往后的第一個字節(jié)：0a，對應(yīng)的常量類型CONSTANT_Methodref，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)為：

CONSTANT_Methodref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

tag占一個字節(jié)，class_index 占2個字節(jié)，name_and_type_index 占2個自己，依次往后數(shù)，注意0a就是tag，所以往后數(shù)2個字節(jié)是 class_index

00 06 // class_index 指向常量池中第6個常量所代表的類
00 0f // name_and_type_index 指向常量池中第15個常量所代表的方法

通過以上方法逐個解析，最終可得到常量池為：

0a?//?10?CONSTANT_Methodref
00?06?//?指向常量池中第6個常量所代表的類
00?0f?//?指向常量池中第15個常量所代表的方法

09?CONSTANT_Fieldref
0010?//?指向常量池中第16個常量所代表的類
0011?//?指向常量池中第17個常量所代表的變量

08?//?CONSTANT_String
00?12?//?指向常量池中第18個常量所代表的變量

0a?//?CONSTANT_Methodref
0013?//?指向常量池中第19個常量所代表的類
0014?//?指向常量池中第20個常量所代表的方法

07?//?CONSTANT_Class
00?15?//?指向常量池中第21個常量所代表的變量

07?//?CONSTANT_Class
0016?//?指向常量池中第22個常量所代表的變量

01?//?CONSTANT_Utf8?標(biāo)識字符串
00?//?下標(biāo)為0
06?//?6個字節(jié)
3c?696e?6974?3e?//

01?//CONSTANT_Utf8?表示字符串
00?//?下標(biāo)為0
03?//?3個字節(jié)
2829?56?//?（）v

01?//CONSTANT_Utf8?表示字符串
00?//?下標(biāo)為0
04?//?4個字節(jié)
436f?6465?//?code

01?//CONSTANT_Utf8?表示字符串
00?//?下標(biāo)為0
0f?//?15個字節(jié)
4c?696e?654e?756d?6265?7254?6162?6c65?//lineNumberTable

01?//CONSTANT_Utf8?表示字符串
00?//?下標(biāo)為0
04?//?4個字節(jié)
6d?6169?6e?//main

01?
00
16?
285b?4c6a?6176?612f?6c61?6e67?2f53?7472?696e?673b?2956?//([Ljava/lang/String;)V

0100
0a?//10
53?6f75?7263?6546?696c?65?//sourceFile

01?00
09?
4d61?696e?2e6a?6176?61?//Main.java

0c?//?CONSTANT_NameAndType
0007?//nameIndex:7
0008?//descriptor_index:8

07?//CONSTANT_Class
00?17?//?第21個變量

0c
0018?
0019

0100
0b
48?656c?6c6f?2057?6f72?6c64?//?Hello?World

07
00?1a

0c?001b?001c

0100?
04
4d?6169?6e?//main

01?00
10
6a61?7661?2f6c?616e?672f?4f62?6a65?6374?//java/lang/Object

0100?
10
6a?6176?612f?6c61?6e67?2f53?7973?7465?6d?//?java/lang/System

01?00
03?
6f75?74?//?out

01?00
15?
4c6a?6176?612f?696f?2f50?7269?6e74?5374?7265?616d?3b?//Ljava/io/PrintStream;

01?00
13?
6a61?7661?2f69?6f2f?5072?696e?7453?7472?6561?6d?//?java/io/PrintStrea

01?00
07?
7072?696e?746c?6e?//println

01?00
15?
284c?6a61?7661?2f6c?616e?672f?5374?7269?6e67?3b29?56?//?(ljava/lang/String/String;)V
常量池往后的結(jié)構(gòu)可繼續(xù)按照這種方式進(jìn)行解析。現(xiàn)在我們采用java自帶的方法來將.class文件反編譯，并驗證我們以上的解析是正確的。

使用javap -v Main.class可得到：

 
?Last?modified?2020-9-29;?size?413?bytes
??MD5?checksum?8b2b7cdf6c4121be8e242746b4dea946
??Compiled?from?"Main.java"
public?class?Main
??minor?version:?0
??major?version:?52
??flags:?ACC_PUBLIC,?ACC_SUPER
Constant?pool:
???#1?=?Methodref??????????#6.#15?????????//?java/lang/Object."":()V
???#2?=?Fieldref???????????#16.#17????????//?java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
???#3?=?String?????????????#18????????????//?Hello?World
???#4?=?Methodref??????????#19.#20????????//?java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
???#5?=?Class??????????????#21????????????//?Main
???#6?=?Class??????????????#22????????????//?java/lang/Object
???#7?=?Utf8???????????????
???#8?=?Utf8???????????????()V
???#9?=?Utf8???????????????Code
??#10?=?Utf8???????????????LineNumberTable
??#11?=?Utf8???????????????main
??#12?=?Utf8???????????????([Ljava/lang/String;)V
??#13?=?Utf8???????????????SourceFile
??#14?=?Utf8???????????????Main.java
??#15?=?NameAndType????????#7:#8??????????//?"":()V
??#16?=?Class??????????????#23????????????//?java/lang/System
??#17?=?NameAndType????????#24:#25????????//?out:Ljava/io/PrintStream;
??#18?=?Utf8???????????????Hello?World
??#19?=?Class??????????????#26????????????//?java/io/PrintStream
??#20?=?NameAndType????????#27:#28????????//?println:(Ljava/lang/String;)V
??#21?=?Utf8???????????????Main
??#22?=?Utf8???????????????java/lang/Object
??#23?=?Utf8???????????????java/lang/System
??#24?=?Utf8???????????????out
??#25?=?Utf8???????????????Ljava/io/PrintStream;
??#26?=?Utf8???????????????java/io/PrintStream
??#27?=?Utf8???????????????println
??#28?=?Utf8???????????????(Ljava/lang/String;)V
{
??public?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?1:?0

??public?static?void?main(java.lang.String[]);
????descriptor:?([Ljava/lang/String;)V
????flags:?ACC_PUBLIC,?ACC_STATIC
????Code:
??????stack=2,?locals=1,?args_size=1
?????????0:?getstatic?????#2??????????????????//?Field?java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
?????????3:?ldc???????????#3??????????????????//?String?Hello?World
?????????5:?invokevirtual?#4??????????????????//?Method?java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
?????????8:?return
??????LineNumberTable:
????????line?4:?0
????????line?5:?8
}
SourceFile:?"Main.java"

對比下可以發(fā)現(xiàn)與我們?nèi)斯そ馕龅慕Y(jié)果是一致的。

小結(jié)

本文第一部分圍繞JVM的幾個常見的問題做了一些簡單介紹。第二部分詳細(xì)介紹了ClassFile的結(jié)構(gòu)及 JVM 對 ClassFile 指定的規(guī)范（更多詳細(xì)的規(guī)范有興趣的讀者可查看官方文檔），接著按照規(guī)范進(jìn)行了部分字節(jié)碼的手動解析，并與 JVM 的解析結(jié)果進(jìn)行了對比。個人認(rèn)為作為偏應(yīng)用層的programer沒必要去記憶這些“規(guī)范”，而是要跳出這些繁雜的規(guī)范掌握到以下幾點：

1. 會借助官方文檔對字節(jié)碼文件做簡單閱讀。

2. 理解字節(jié)碼文件在整個執(zhí)行過程的角色和作用，其實就是一個“編解碼”的過程。javac將.java文件按照J(rèn)VM的規(guī)則生成字節(jié)碼文件，JVM按照規(guī)范解析字節(jié)碼文件為機(jī)器可執(zhí)行的指令。

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