(<深入分析Java Web技术内幕>笔记)
java语言在宣传时打出的名号就是"一次编译,到处运行", 也就是支持跨平台运行,其实这是java文件编译成class文件来实现的,那么class文件是怎么生成的?clss文件又有哪些内容?本篇笔记就是记录相关的学习内容的.
JVM指令集
先来一段几乎每个人入门一门语言都会写的代码:
public class ClassLearn {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("hello world!");
}
}
就是一个类有一个main方法,方法内部打印了"hello world!",我们先将其编译为class文件,再运行:
// oolong是一种汇编语言,可以编译class文件为.j
java COM.sootNsmoke.oolong.Gnoloo ClassLearn.class
会生成一个ClassLearn.j文件,查看一下文件内容:
以"."符号开头表示是一个基本的属性项,就是一个java的基本概念(一个类,方法,属性,对象或者一个接口)
与类相关的指令
-
.source ClassLearn.java表示代码的源文件是ClassLearn.java -
.class public super ClassLearn表示这是一个类且公有的类名是ClassLearn -
.super java/lang/Object表示这个类的父类是Object
与类相关的指令:
| 指令 | 参数 | 解释 |
|---|---|---|
| checkcast | class | 检验类型转换(ClassCastException) |
| getfield | class/field desc | 获取类的实例域,并将值压入栈顶 |
| getstatic | class/field desc | 获取类的静态域,并将值压入栈顶 |
| instanceof | class | 检查对象是否是类的实例,是1压入栈顶,否0压入栈顶 |
| new | class | 创建一个对象,将其引入值压入栈顶 |
方法定义
-
.method public <init> ()V表示是一个公有方法,没有参数,返回值是void,<init>表示是构造方法 -
.method public static main([Ljava/lang/String;)V与上一条类似,[表示数组,L表示是一个类形式而不是基本数据类型(int,char等),凡是L最后都以;结尾,表示类结束
与方法相关的JVM指令:
| 指令 | 操作数 | 解释 |
|---|---|---|
| invokeinterface | class/method desc n | 调用接口方法 |
| invokespecial | class/method desc | 调用超类构造方法,实例初始化方法,私有方法 |
| invokestatic | class/method desc | 调用静态方法 |
| invokevirtual | class/method desc | 调用实例方法 |
类的属性的定义
数据类型:
| 数据类型 | 表示方式 |
|---|---|
| 数组 | [ |
| 类 | L; |
| byte | B |
| boolean | Z |
| char | C |
| double | D |
| float | F |
| int | I |
| long | J |
| short | S |
| void | V |
修饰属性:
| 修饰符 | 说明 |
|---|---|
| public | 公有 |
| private | 私有 |
| protected | 子类和包可见 |
| static | 静态 |
| final | 不可修改 |
| volatile | 弱引用 |
| transient | 临时属性 |
class文件头的表示形式
看一看之前的代码字节码形式是怎么样的:
java COM.sootNsmoke.oolong.DumpClass ClassLearn.class
输出:
000000 cafebabe magic = ca fe ba be
000004 0000 minor version = 0
000006 0034 major version = 52
000008 001d 29 constants
00000a 0a0006000f 1. Methodref class #6 name-and-type #15
00000f 0900100011 2. Fieldref class #16 name-and-type #17
000014 080012 3. String #18
000017 0a00130014 4. Methodref class #19 name-and-type #20
00001c 070015 5. Class name #21
00001f 070016 6. Class name #22
000022 010006 7. UTF length=6
000025 3c696e69743e <init>
00002b 010003 8. UTF length=3
00002e 282956 ()V
000031 010004 9. UTF length=4
000034 436f6465 Code
000038 01000f 10. UTF length=15
00003b 4c696e654e756d6265725461626c65 LineNumberTable
00004a 010004 11. UTF length=4
00004d 6d61696e main
000051 010016 12. UTF length=22
000054 285b4c6a6176612f6c616e672f537472 ([Ljava/lang/Str
000064 696e673b2956 ing;)V
00006a 01000a 13. UTF length=10
00006d 536f7572636546696c65 SourceFile
000077 01000f 14. UTF length=15
00007a 436c6173734c6561726e2e6a617661 ClassLearn.java
000089 0c00070008 15. NameAndType name #7 descriptor #8
00008e 070017 16. Class name #23
000091 0c00180019 17. NameAndType name #24 descriptor #25
000096 01000c 18. UTF length=12
000099 68656c6c6f20776f726c6421 hello world!
0000a5 07001a 19. Class name #26
0000a8 0c001b001c 20. NameAndType name #27 descriptor #28
0000ad 01000a 21. UTF length=10
0000b0 436c6173734c6561726e ClassLearn
0000ba 010010 22. UTF length=16
0000bd 6a6176612f6c616e672f4f626a656374 java/lang/Object
0000cd 010010 23. UTF length=16
0000d0 6a6176612f6c616e672f53797374656d java/lang/System
0000e0 010003 24. UTF length=3
0000e3 6f7574 out
0000e6 010015 25. UTF length=21
0000e9 4c6a6176612f696f2f5072696e745374 Ljava/io/PrintSt
0000f9 7265616d3b ream;
0000fe 010013 26. UTF length=19
000101 6a6176612f696f2f5072696e74537472 java/io/PrintStr
000111 65616d eam
000114 010007 27. UTF length=7
000117 7072696e746c6e println
00011e 010015 28. UTF length=21
000121 284c6a6176612f6c616e672f53747269 (Ljava/lang/Stri
000131 6e673b2956 ng;)V
000136 0021 access_flags = 33
000138 0005 this = #5
00013a 0006 super = #6
00013c 0000 0 interfaces
00013e 0000 0 fields
000140 0002 2 methods
Method 0:
000142 0001 access flags = 1
000144 0007 name = #7<<init>>
000146 0008 descriptor = #8<()V>
000148 0001 1 field/method attributes:
field/method attribute 0
00014a 0009 name = #9<Code>
00014c 0000001d length = 29
000150 0001 max stack: 1
000152 0001 max locals: 1
000154 00000005 code length: 5
000158 2a 0 aload_0
000159 b70001 1 invokespecial #1
00015c b1 4 return
00015d 0000 0 exception table entries:
00015f 0001 1 code attributes:
code attribute 0:
000161 000a name = #10<LineNumberTable>
000163 00000006 length = 6
Line number table:
000167 0001 length = 1
000169 00000008 start pc: 0 line number: 8
Method 1:
00016d 0009 access flags = 9
00016f 000b name = #11<main>
000171 000c descriptor = #12<([Ljava/lang/String;)V>
000173 0001 1 field/method attributes:
field/method attribute 0
000175 0009 name = #9<Code>
000177 00000025 length = 37
00017b 0002 max stack: 2
00017d 0001 max locals: 1
00017f 00000009 code length: 9
000183 b20002 0 getstatic #2
000186 1203 3 ldc #3
000188 b60004 5 invokevirtual #4
00018b b1 8 return
00018c 0000 0 exception table entries:
00018e 0001 1 code attributes:
code attribute 0:
000190 000a name = #10<LineNumberTable>
000192 0000000a length = 10
Line number table:
000196 0002 length = 2
000198 0000000a start pc: 0 line number: 10
00019c 0008000b start pc: 8 line number: 11
0001a0 0001 1 classfile attributes
Attribute 0:
0001a2 000d name = #13<SourceFile>
0001a4 00000002 length = 2
0001a8 000e sourcefile index = #14
Done.
看起来特别长,但是真正需要理解的并不是很多,先看头部信息:
000000 cafebabe magic = ca fe ba be
000004 0000 minor version = 0
000006 0034 major version = 52
第一行是一个标识符,表示是一个标准的class文件,由一个32位无符号整数表示,cafebabe是其16进制表示形式,如果不是这个,JVM就不认为这是一个class文件,也就不会加载,后面两个字节表示说最大版本和最小版本的范围,从最初的Java到Java8是45.3~53.0,JVM在加载时也会检查这个是否符合条件
常量池
根据输出显示,共有29个常量,但是看显示只有1~28,是因为0是保留常量,每个常量都由3个字节描述:
第一个表示这个常量是什么类型的,JVM中定义了12种类型常量,每个都会对应一个数值
接下来分别说明几个较重要的
UTF8常量
字符编码格式,存储多个字节长度的字符串值(类名,方法名等)
Fieldref,Methodref常量
描述Class中的属性项和方法的
第一个字节09代表是Fieldref类型,10则代表Methodref类型;后面两个字节代表属于哪个类;最后两个字表示常量的name和type
Class常量
表示该类的名称,会指向另一个UTF8类型的常量(之前提到了UTF8就是表示类名和方法名等的字符串)
利用之前的输出
00008e 070017 16. Class name #23
第一个字节07就代表该常量是Class类型,后面两个字节0017指向第23个常量,而第23个常量是:
0000cd 010010 23. UTF length=16
0000d0 6a6176612f6c616e672f53797374656d java/lang/System
就是一个UTF8常量,存储的是java/lang/System,也就是类名
NameAndType常量
为了表示Methodref和Fieldref的名称和类型描述做进一步说明存在的,名称也是通常由UTF8常量描述,类型也由UTF8描述
0007指向第7个常量,表示
Methodref或Fieldref的名称,而0008则表示Methodref的返回类型或Fieldref参数类型
类信息
常量列表后面就是类本身的信息描述了,如访问控制,名称,类型,是否有父类,是否实现了接口等
000136 0021 access_flags = 33
000138 0005 this = #5
00013a 0006 super = #6
00013c 0000 0 interfaces
两个字节只使用了5bit,
ACC_PUBLIC代表类是否是public类(是为1,否为0),ACC_FINAL代表是否是final类,ACC_SUPER代表是否存在父类(除了Obejct其他类都有父类),ACC_INTERFACE代表是否是接口类,ACC_ABSTRACT代表是否是抽象类;后面两个字节0005代表该类名称,指向第5个常量;后面的0006代表父类的名称,指向第6个常量;0000代表没有实现接口类
Fields和Methods定义
00013e 0000 0 fields
000140 0002 2 methods
Method 0:
000142 0001 access flags = 1
000144 0007 name = #7<<init>>
000146 0008 descriptor = #8<()V>
000148 0001 1 field/method attributes:
field/method attribute 0
00014a 0009 name = #9<Code>
00014c 0000001d length = 29
000150 0001 max stack: 1
000152 0001 max locals: 1
000154 00000005 code length: 5
000158 2a 0 aload_0
000159 b70001 1 invokespecial #1
00015c b1 4 return
00015d 0000 0 exception table entries:
00015f 0001 1 code attributes:
code attribute 0:
000161 000a name = #10<LineNumberTable>
000163 00000006 length = 6
Line number table:
000167 0001 length = 1
000169 00000008 start pc: 0 line number: 8
Method1与Method0类似,就不粘过来了
前4个字节表示该类有几个属性,几个方法,后面就是每个属性和类的具体定义了
方法当然也有访问控制,也由两个字节定义:
与类描述基本一致,就不列举说明了
接下来4个字节:
000144 0007 name = #7<<init>>
000146 0008 descriptor = #8<()V>
定义了方法的名称和类型描述(NameAndType)
接下来是具体的代码实现的定义了,包括代码长度(最长64K字节长度)
接下来:
000150 0001 max stack: 1
000152 0001 max locals: 1
定义了该方法使用的栈的深度及本地常量的最大个数,会在JVM类加载做检查,超过这两个值,会拒绝加载
接下来:
000154 00000005 code length: 5
000158 2a 0 aload_0
000159 b70001 1 invokespecial #1
00015c b1 4 return
表示这个方法的代码对应的JVM指令,00000005代表命令有5个字节
接下来:
00015d 0000 0 exception table entries:
定义了使用的异常,0000代表没有定义抛出的异常
接下来是方法存在的一些代码属性的描述,描述的是代码本身的一些额外信息
00015f 0001 1 code attributes:
code attribute 0:
000161 000a name = #10<LineNumberTable>
000163 00000006 length = 6
Line number table:
000167 0001 length = 1
000169 00000008 start pc: 0 line number: 8
0001代表只有一行对应关系,指向0000和0008,0000指向运行时的行指针,0008指向实际源代码的行数,每个都是两个字节,所以可知Java代码最大行数到65535,超过class就没办法表示出来了
Javap生成class文件
之前所有介绍的内容都是靠oolong生成的class文件的二进制表示,还可以通过JDK自带的javap来生成class文件,而且更易理解:
javap -verbose ClassLearn > ClassLearn.txt
查看输出:
1 Classfile /Users/lkc/Desktop/Code/Learn/out/production/TechCollect/ClassLearn.class
2 Last modified 2017-8-7; size 672 bytes
3 MD5 checksum 733971818278fd4709847bba1a9720bd
4 Compiled from "ClassLearn.java"
5 public class ClassLearn
6 minor version: 0
7 major version: 52
8 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
9 Constant pool:
10 #1 = Methodref #6.#26 // java/lang/Object."<init>":()V
11 #2 = String #27 // hello,world!
12 #3 = Fieldref #28.#29 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
13 #4 = Methodref #30.#31 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
14 #5 = Class #32 // ClassLearn
15 #6 = Class #33 // java/lang/Object
16 #7 = Utf8 <init>
17 #8 = Utf8 ()V
18 #9 = Utf8 Code
19 #10 = Utf8 LineNumberTable
20 #11 = Utf8 LocalVariableTable
21 #12 = Utf8 this
22 #13 = Utf8 LClassLearn;
23 #14 = Utf8 main
24 #15 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
25 #16 = Utf8 i
26 #17 = Utf8 I
27 #18 = Utf8 args
28 #19 = Utf8 [Ljava/lang/String;
29 #20 = Utf8 str
30 #21 = Utf8 Ljava/lang/String;
31 #22 = Utf8 StackMapTable
32 #23 = Class #34 // java/lang/String
33 #24 = Utf8 SourceFile
34 #25 = Utf8 ClassLearn.java
35 #26 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
36 #27 = Utf8 hello,world!
37 #28 = Class #35 // java/lang/System
38 #29 = NameAndType #36:#37 // out:Ljava/io/PrintStream;
39 #30 = Class #38 // java/io/PrintStream
40 #31 = NameAndType #39:#40 // println:(Ljava/lang/String;)V
41 #32 = Utf8 ClassLearn
42 #33 = Utf8 java/lang/Object
43 #34 = Utf8 java/lang/String
44 #35 = Utf8 java/lang/System
45 #36 = Utf8 out
46 #37 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
47 #38 = Utf8 java/io/PrintStream
48 #39 = Utf8 println
49 #40 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
50 {
51 public ClassLearn();
52 descriptor: ()V
53 flags: ACC_PUBLIC
54 Code:
55 stack=1, locals=1, args_size=1
56 0: aload_0
57 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
58 4: return
59 LineNumberTable:
60 line 8: 0
61 LocalVariableTable:
62 Start Length Slot Name Signature
63 0 5 0 this LClassLearn;
64
65 public static void main(java.lang.String[]);
66 descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
67 flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
68 Code:
69 stack=2, locals=3, args_size=1
70 0: ldc #2 // String hello,world!
71 2: astore_1
72 3: iconst_0
73 4: istore_2
74 5: iload_2
75 6: iconst_3
76 7: if_icmpge 23
77 10: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
78 13: aload_1
79 14: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
80 17: iinc 2, 1
81 20: goto 5
82 23: return
83 LineNumberTable:
84 line 10: 0
85 line 11: 3
86 line 12: 10
87 line 11: 17
88 line 14: 23
89 LocalVariableTable:
90 Start Length Slot Name Signature
91 5 18 2 i I
92 0 24 0 args [Ljava/lang/String;
93 3 21 1 str Ljava/lang/String;
94 StackMapTable: number_of_entries = 2
95 frame_type = 253 /* append */
96 offset_delta = 5
97 locals = [ class java/lang/String, int ]
98 frame_type = 250 /* chop */
99 offset_delta = 17
100 }
101 SourceFile: "ClassLearn.java"
三个地方LineNumberTable,LocalVariableTable,StackMapTable
LineNumberTable
LineNumberTable下面有多个line a:b,每个line表示一行,a表示在类文件的第几行,b表示在JVM指令中的pc偏移量
拿line 14:23举例,14就对应return这一句,23代表偏移地址,也就是指:
82 23: return
可以发现是一致的
LocalVariableTable
89 LocalVariableTable:
90 Start Length Slot Name Signature
91 5 18 2 i I
92 0 24 0 args [Ljava/lang/String;
93 3 21 1 str Ljava/lang/String;
可以很容易看出,LocalVariableTable由五部分组成,Start和Length表示变量有效作用域的偏移地址;Start表示变量被赋值到某个Slot中的指令的下一条指令的偏移地址;Length表示变量作用域总共占用的指令数对应的偏移量,所以作用域就是[Start,Start+Length];Slot表示该变量占用的Slot编号;Name表示该变量的名称;Signature表示该变量的类型
拿出一个来举例:
90 Start Length Slot Name Signature
91 5 18 2 i I
这里就表示变量"i"的类型是int,作用域是[5,23],也就是这一段:
74 5: iload_2
75 6: iconst_3
76 7: if_icmpge 23
77 10: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
78 13: aload_1
79 14: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
80 17: iinc 2, 1
81 20: goto 5
82 23: return
与实际代码比较,也就是整个for循环体直到方法结束,所以符合我们预期;还需要提一句的是其实Slot是可以出现重复的,只要实际代码中作用域不重合Slot的编号是可以复用的.
StackMapTable
这里在我阅读本书时发现没有StackMapTable,因此特地查了下资料
这里是由Java6引入的一个叫做栈图的概念,Java7中开始强制使用,实例说明:
94 StackMapTable: number_of_entries = 2
95 frame_type = 253 /* append */
96 offset_delta = 5
97 locals = [ class java/lang/String, int ]
98 frame_type = 250 /* chop */
99 offset_delta = 17
number_of_entries代表frame的个数,这里也就是2个,分别是frame_type = 253 /* append */ 和 frame_type = 250 /* chop */, 这里注释的append就代表栈中局部变量或类增加1个,chop相反代表减少一个,还有一个same代表没有变化;offset_delta代表每个frame的增量偏移量,第一个的偏移量就是offset_delta本身,其他帧的偏移量计算方法是前一帧的偏移量加上此帧的offset_delta+1;目前仅了解这么多,想详细了解StackMapTable相关或者其他的class文件信息可以参照< Java虚拟机规范 se7 >
