日志追踪-Java字节码-类文件结构

古城微笑少年丶 2022-11-01 05:21 160阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  目标
     *  类文件结构
     *  Class 类文件的结构
     *   *  魔数和class文件的版本
         *  常量池
         *  访问标志
         *  类索引，父类索引，接口索引
         *  字段表集合
         *   *  access\_flags 访问标志
             *  name\_index 简单名称
             *  descriptor\_index 描述符
             *  实例演示
         *  方法表集合
         *   *  实例演示
         *  属性表集合
         *   *  code 属性
         *  最后

## 目标 ##

*  了解Java字节码相关的知识点
    
    参考：深入理解Java虚拟机——JVM高级特性与最佳实践(第2版) 书籍

**本文仅是从书籍内容做了记录，不过补充了一些图示，可能会更清晰一点。如果需要阅读完整内容，还请参考书籍内容。**

## 类文件结构 ##

字节码（byte code）

javac编译器

groovy编译器

其他语言编译器

\*.java

\*.class

java虚拟机

\*.groovy

其他语言

class文件以c语伪结构来存储数据，两种格式无符号数，表

*  无符号数
    
    u1 一个字节，u2 二个字节，u4 4个字节，u8 8个字节，用来描述 数字，索引引用，数据量值 和 utf-8编码的字符串
 *  表
    
    由多个无符号数和其他表组件，以\_info 结尾
    
    cp\_info(常量池) , field\_info（字段表）, method\_info（方法表） ,attribute\_info（属性表）

## Class 类文件的结构 ##

Class 文件以8位字节为基础的二进制流。

winhex 下载地址：[winhex][] 16进制，查看class文件，即4位为一组。

16进制转换10进制网站：https://tool.oschina.net/hexconvert/

演示代码：将如下代码编译后，生成的class文件。使用 Winhex 打开即可。

package fun.gengzi.test.classshow;
     
    public class GlogTest { 
        private int arg1 = 1;
        public final static String INFO = "NIUPI";
        /** * 求和 * @param a 参数a * @param b 参数b * @return a+b */
        public int sum(int a, int b) { 
            return a + b;
        }
    }

使用 Winhex 打开

![yLaLz8.png][]

### 魔数和class文件的版本 ###

*  魔数
    
    0xcafebabe （咖啡宝贝？）用于标识是 class文件（不使用.class 扩展名标识这是一个class文件）
 *  class 文件版本
    
    标识当前class文件能被什么版本的虚拟机加载。低版本的java虚拟机无法加载高版本的class文件。（jdk8 版本 52）
    
    **有时候会遇到jdk8编译的工程，放在jdk7下运行，会提示Java| unsupported major.minor version 52.0**

# 按八个字节为单位
    # 魔数 cafebabe 四字节
    # java主版本号 0034 转为10进制 52 ，jdk8以上版本支持
    cafe babe 0000 0034

### 常量池 ###

包含两大内容：字面量 和 符号引用

*  字面量  
    跟常量差不多，文本字符串，声明为final 的常量值
 *  符号引用
    
    类和接口的全限定名称（以/分割的类名）
    
    字段的名称和描述符
    
    方法的名称和描述符

全限定名称：例如：fun/gengzi/test/classshow/GlogTest； 就是将类全名的"."替换为“/” 即可。

**从上述描述，类，接口，字段，方法它们的名称和描述符，都是在常量池中定义的，如果使用常量池索引在常量池中寻找即可**

# 两字节的常量池计数（从1开始） 001d ，转为10进制 29。28个常量
    # 第一位是u1类型的标准位，01 CONSTANT_Utf8_info UTF-8编码的字符串
    # 0027 代表字符串的长度，之后的39字节都是这个字符串的字节数据
    001d 0a00 04
    # 从6a -- 72 开始，都是字符串数据，比对 ascii 编码，转换内容 java/util/concurrent/ThreadPoolExecutor
    6a 6176
    612f 7574 696c 2f63
    6f6e 6375 7272 656e
    742f 5468 7265 6164
    506f 6f6c 4578 6563
    7574 6f72

![1613660396815][]

分析class文件字节码工具 javap -verbose class文件,只关注常量池内容：

PS D:\ideaworkspace> javap -verbose GlogTest.class
    Classfile /D:/ideaworkspace/GlogTest.class
      Last modified 2021-2-18; size 512 bytes
      MD5 checksum aa7d67e1b7593ccaa8b2c037ea64b007
      Compiled from "GlogTest.java"
    public class fun.gengzi.test.classshow.GlogTest
      minor version: 0
      major version: 52
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
    Constant pool:
       #1 = Methodref          #4.#24         // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Fieldref           #3.#25         // fun/gengzi/test/classshow/GlogTest.arg1:I
       #3 = Class              #26            // fun/gengzi/test/classshow/GlogTest
       #4 = Class              #27            // java/lang/Object
       #5 = Utf8               arg1
       #6 = Utf8               I
       #7 = Utf8               INFO
       #8 = Utf8               Ljava/lang/String;
       #9 = Utf8               ConstantValue
      #10 = String             #28            // NIUPI
      #11 = Utf8               <init>
      #12 = Utf8               ()V
      #13 = Utf8               Code
      #14 = Utf8               LineNumberTable
      #15 = Utf8               LocalVariableTable
      #16 = Utf8               this
      #17 = Utf8               Lfun/gengzi/test/classshow/GlogTest;
      #18 = Utf8               sum
      #19 = Utf8               (II)I
      #20 = Utf8               a
      #21 = Utf8               b
      #22 = Utf8               SourceFile
      #23 = Utf8               GlogTest.java
      #24 = NameAndType        #11:#12        // "<init>":()V
      #25 = NameAndType        #5:#6          // arg1:I
      #26 = Utf8               fun/gengzi/test/classshow/GlogTest
      #27 = Utf8               java/lang/Object
      #28 = Utf8               NIUPI

![1613660959094][]  
![1613660970542][]

注意：java 程序中如果定义超过64kb的英文字符的变量或者方法名，将无法编译

### 访问标志 ###

![1613661140718][]

如果public 类，ACC\_PUBLIC 和 ACC\_SUPER 为 真，其他都为假 （0x0001+0x0020 = 0x0021）

**注意访问标志是各个累加出来的**

### 类索引，父类索引，接口索引 ###

类索引 u2 父类索引 u2 接口集合索引 u2 计数

*  类索引
    
    确定这个类的全限定类名
 *  父类索引
    
    确定这个类的父类全限定类名
 *  接口索引集合
    
    确定这个类的接口集合

![1613746496376][]

0003 0004 0000
       #3 = Class #26 // fun/gengzi/test/classshow/GlogTest // 当前类全限定类名
       #4 = Class #27 // java/lang/Object // 当前类父类（Object）
       // 没有接口，所以 0000

### 字段表集合 ###

包含两种：实例变量 和 类变量（被static修饰），由以下表中的内容组成

![1613744356518][]

#### access\_flags 访问标志 ####

还是ACC\_ 开头的那些标志位

#### name\_index 简单名称 ####

（在常量池中）

比如类中方法和字段的简单名称 arg1 和 sum() ，简单名称就是 arg1 和 sum 。

private int arg1 = 1;
    public int sum(int a, int b) { 
            return a + b;
    }

#### descriptor\_index 描述符 ####

（在常量池中）

用于描述字段的数据类型和方法的参数列表

![1613744784355][]

一些例子：

# 无返回值空参方法
    void inc()  描述符   ()V   
    # 有返回值空参方法
    String inc() 描述符 ()Ljava/lang/String;
    # 带参数的方法
    void inc(int age) 描述符 (I)V
    # 数组作为参数的方法
    int inc(int age[]) 描述符 ([I)I
    # 二维数组
    String[][]  描述符 [[Ljava/lang/String;

#### 实例演示 ####

private int arg1 = 1;

上述参数在常量池中，常量池用于描述字段和方法的名称和描述符

![1613747189220][]

### 方法表集合 ###

跟字段表类似

![1613747341035][]

#### 实例演示 ####

上述测试代码中，包含两个方法 和 sum() 。类构造器 , 实例构造器 都是编译器自动添加的方法。

**对于 与 的功能可以看下 [区别][Link 1]**

public void <init>(){ ....}

![1613748157243][]

public int sum(int a, int b) { ...}

对比以上的说明，看下能否看懂如下的内容：

![1613748626559][]

### 属性表集合 ###

一些常用属性  
![1614083209107][]

![1614083186820][]

对于每个属性，它的名称需要从常量池中引用一个 CONSTANT\_Utf8\_info 类型的常量来表示

在上述测试代码中，常量池中可以看到

#9 = Utf8 ConstantValue // 字段表中的属性
      #13 = Utf8 Code // 方法表中的属性
      #14 = Utf8 LineNumberTable //java源码行号和字节码指令的对应关系
      #15 = Utf8 LocalVariableTable // 方法的局部变量描述

属性值的结构完全自定，只需要通过一个u4长度说明属性值占用的位数

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Y3vOxRVL-1614089085424)(https://s3.ax1x.com/2021/02/23/yLdLkR.png)\]

**这里仅介绍 Code 这一种属性**，还有其他属性，不一一介绍。比如上述中 Code ，LineNumberTable ，LocalVariableTable 都是一种属性

#### code 属性 ####

java程序**方法体**代码经过javac编译后，最终变成了字节码存放在code属性中

![1614084356429][]

分析class文件字节码工具 javap -verbose 分析一下

![1614086943892][]

在看下16进制数据

![1614085657516][]

### 最后 ###

再看这张图片，使用了二进制流的形式，描述了一个class文件的内容。

![1614086342058][]

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> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4ODE3NzM5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

[winhex]: https://www.onlinedown.net/soft/1510.htm
[yLaLz8.png]: /images/20221024/ff3437edde764d9088ab1572ecf6336b.png
[1613660396815]: /images/20221024/b624ff35d3ba4ea3b182c9ecb6aec017.png
[1613660959094]: /images/20221024/61e31d4d4e21459dac5bcced1233caeb.png
[1613660970542]: /images/20221024/9a28dc264a534f2fb98c468a0e830b7c.png
[1613661140718]: /images/20221024/7ff7ef9904104d8db3f3283307d8846d.png
[1613746496376]: /images/20221024/16bbdf738d3147329a8b4beb0d22ce41.png
[1613744356518]: /images/20221024/6205be69cc7a47b99683a915cb610f10.png
[1613744784355]: /images/20221024/45a25f25ed4147a1908b1374de1641b3.png
[1613747189220]: /images/20221024/53f53df9a9574324b9243b7b16fb3892.png
[1613747341035]: /images/20221024/a3dba3598a8a47b1bc5a40e5401e0970.png
[Link 1]: https://www.dazhuanlan.com/2020/01/20/5e2546cf8c7a5/
[1613748157243]: /images/20221024/a13d3e3c32fb477ea2e0ede7a9c7abf8.png
[1613748626559]: /images/20221024/830e2c2c1c944aa0b19b119de46bfca5.png
[1614083209107]: /images/20221024/35c2e1a445a54c97b720cc6ec99685ab.png
[1614083186820]: /images/20221024/e7c2d4a805e44844b71a8fb12aad62bc.png
[1614084356429]: /images/20221024/7075841f11834eef93f123b869b63250.png
[1614086943892]: /images/20221024/91f669b80b794ca19e0a11668a502199.png
[1614085657516]: /images/20221024/874d184d94b9479e8e5d1b21df26e11c.png
[1614086342058]: /images/20221024/0998156a527d4e8ebea5bea89cd2ead6.png
[Link 2]: https://gengzi.github.io/Code-animal/#/./docs/fuli/README
[gengzi]: https://github.com/gengzi
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4ODE3NzM5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221024/b5bbb2f01836492b9666d54b7bced4c1.png