JVM中class文件探索与解析（一）

一直想成为一名优秀的架构师的我，转眼已经工作快两年了，对于java内核了解甚少，闲来时间，看看JVM，吧自己的一些研究写下来供大家参考，有不对的地方请指正。

废话不多说，一起来看看JVM中类文件是如何加载和运行的。

（1）首先，编写简单代码，对其编译生成的class文件进行研究，其java代码如下：

 1 public class test {
 2     private static int count = 0;
 3     public static void recursion(){
 4         count++;
 5         recursion();
 6     }
 7
 8     public  static  void  main (String args[]){
 9         try {
10             recursion();
11         }catch (Exception ex){
12             System.out.print("deep of callings:"+count+"\n");
13             ex.printStackTrace();
14         }
15     }
16 }

编译之后，用WinHex软件打开其class文件，可以看到其编译的十六进制文件如下：

　　按照上图分析，开头的前4个字节，是魔数（类似于拼音“咖啡宝贝”），它的用处是标识该文件是否能被java虚拟机识别；

　　紧接着魔数的4个字节，前两字节0x00代表次版本号（小数点之后的数字），后两字节0x0033代表是class文件的主版本号，换算成十进制是51，标识是JDK1.7可识别的版本（不同的版本可以查看class文件版本号表如下：）

　　在主版本号字节之后的是常量池，可以理解为Class文件的资源仓库，存储着与class文件相关的数据项。由于不同class文件，常量池数量不同，常量池入口放置两个字节的数据（0x0028）为常量池计数器。十六进制的0x0028为十进制的40（地址偏移量），代表常量池中有39个常量，索引范围为1-40（注：java仅限于class文件结构中容量计数器是从1开始的，java的设计者将索引0拿出来是有特殊考虑的，用来表示不引用任何一个常量池中的项）。

　　常量池中，存放两类数据：（1）字面量：可以理解为java中的常量，例如：字符串、final修饰常量等。

　　　　　　　　　　　　　　（2）符号引用：主要包括①类、接口的全限定名②字段的名称和描述符③方法的名称和描述符

　　在常量池里，存储常量结构如下：u1（常量标志位，用于指明常量的类型，可以查看如下常量池项目类型对应表）+常量信息

　　让我们以上述class文件为例，索引为1的常量标志位是0x0A（十进制为10），对应上表中的CONSTANT_Methoddef_info类型的常量，参考常量结构表如下图（在jdk1.7中新增了tag=15/16/18的常量类型，更好的支持动态语言的调用，此处就不列举了），

　　该class文件中，常量池里索引为1的常量（const#1），项目类型标识符为0x0A，二进制为10，查询上表，代表着类方法的符号引用。紧接着两个u2字符代表该常量的信息内容，其中方法描述符0x0006为#6常量，名称及类型描述为0x001A指向#26常量。

　　紧跟其后的是索引为2的常量（const#2），其标志符为0x09（十进制为9），是字段的符号引用，紧接着的两个u2字符代表其引用索引ID，方法的类描述符指向#27常量，字段描述符指向#28常量；

　　分析了以上两个字节之后，这里就不一一分析后面的常量了，有兴趣的可以自己分析下。其他的常量池用jdk自带的javap进行生成，在windows中打开cmd（安装jdk并配置环境变量），输入：javap -verbose class文件路径，可以看到编译之后的常量池如下：

　　将上述class文件中常量池部分标记图如下，红色框代表一个常量池中的项，依次编号为1-39，

　　我们将上图和javap生成的常量内容对比一下，以const#9为例，#9项为：0x01 （utf8类型） 0x0006（占用字节） 0x3C 0x69 0x6E 0x69 0x74 0x3E（项内容），我们对项内容进行在线转换，将十六进制转换ASCII码值，得到该常量表示：<init>,如下图：

　　与javap生成的常量文件对比，发现两者完全一致。对字节码有兴趣的朋友可以逐个试一试。

　　在常量池区域结束之后，紧接着的一个u2（两个字节）类型的字符代表访问标志，它用于识别类或者接口的访问信息，例如：class是类还是接口，访问是private还是public等。访问标志表如下图：

　　在上述文件中，访问标志为：，即：0x0021，对照上表，只有ACC_PUBLIC和ACC_SUPER为真，其他几项为假。该类为public 能够使用invoke指令。

　　跟在访问标志之后的分别是类索引、父类索引。由于java不允许多继承，所以类索引和父类索引是一个u2类型的数据。在上述文件中，类索引为#5常量（TestClass），父类索引为#6常量（java/lang/Object）;

　　紧接着类索引和父类索引的是接口索引信息。在java中一个类可以实现多个接口，所以用u2类型的数据集合来表示接口索引。在接口索引的入口，有一项u2类型的接口计数器，计数器为0表示接口的索引表不占用任何字节。

　　在接口相关描述信息之后的，是字段表集合，用于描述类或者接口中申明的变量（注：此处的变量是指类或者接口级变量，即类变量或者实例级变量，而不包括方法中的局部变量）。这些字段通常包含哪些信息呢？通常有：字段访问域（private、public、protected等）+是实例变量还是类变量（Static）+是否可修改（final）+并发可见性（volatitle，用volatile修饰的变量，线程在每次使用变量的时候，都会读取变量修改后的最终的值）+可否序列化（transient）+字段类型（基本类型、对象、数组）+字段名称。在JVM中，字段表结构如下：

　　我们来看，字段表集合的入口u2类型数据项是字段表的容量计数器为（0x0001），表示只有一个字段项。紧接着字段表容量计数器的u2类型的数据为0x0002，参考下表，表示该字段为private。字段名称为0x0007，其值为“m”，描述信息0x0008，其值为“I”，可以推断，原代码的定义字段为：“private int m”；

　　通常而言，在字段描述之后还有一些属性表信息存储额外的信息，在以上class文件中，属性计数器位0x0000，表示没有额外的属性信息。

　　在字段表之后的是方法表集合，其表示方法与字段信息表几乎一致。其结构如下表：

　　但是，方法表的修饰属性比字段表要多，例如：方法有abstract、synchronize等。在方法表的入口，同样也有一个方法容量计数器，占用u2字节。在上述class中，方法的计数器为，即0x0003表示有三个方法。

　　第一个方法，function#1的第一、二、三、四、五项u2数据项分别为：0x0001、0x0009、0x000A、0x0001、0x000B，代表方法为public、方法名指向const#9（"<init>"）、方法描述为const#10（“（）V”）、含有一个属性、该属性指向const#11（“Code”）属性，java呈现方法体重的代码经过javac编译之后，就存储在Code属性里。

　　（ps：今天的class文件探索就写到这里，过几天接着写...休息一下）