JVM篇(03.阅读class字节码)

于 2020-11-10 09:38:00 发布
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分类专栏： JVM Class字节码 JAVA 文章标签： java jvm class字节码 javap
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本文介绍了Java Class文件的结构和解析方式，包括二进制字节码的组织形式、常量池的作用及如何通过JDK自带的javap工具进行反编译以获取更易读的格式。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

​ ​​ class文件是JVM的输入，是JVM实现平台无关、技术无关的基础。java虚拟机规范中定义了class文件的结构。

  • class文件格式概述

​    我们先看下classFile的结构（查阅java 虚拟机规范）

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  infterfaces_count;    
	u2  infterfaces[interfaces_count];    
	u2  fields_count;    
	field_info  fields[fields_count];    
	u2  methods_count;    
	method_info methods[methods_couunt];   
	u2  attributes_count;   
	attribute_info  attributes[attributes_count];  
}

在ClassFile结构中，各项的含义描述如下：
magic（魔数）minor_version（副版本号）、major_version（主版本号）
constant_pool_count（常量池计数器）
constant_pool[]（常量池）
access_flag（访问标识）
this_class（类索引）
super_class（父类索引）
infterfaces_count（接口计数器）
infterfaces[]（接口表）
fields_count（字段计数器）
fields[]（字段表）
methods_count（方法计数器）
methods[]（方法表）
attributes_count（属性计数器）
attributes[]（属性表）

​    二进制字节码如下：

img

  • Class文件是一组以8字节为单位的字节流，各个数据项目按顺序紧凑排列(如上图开头的字符CA为一组，CA用二进制表示为1100 1010，共8字节)

  • 对于占用空间大于8字节的数据项，按照高位在前的方式分割成多个8字节进行存储

  • Class文件格式里面只有两种类型：无符号数、表

  • 无符号数：基本数据类型，以u1、u2、u4、u8来代表几个字节的无符号数（如classfile第一行的u4
    magic;对应二进制字节码的CA FE BA BE）

  • 表：由多个无符号数和其他表构成的复合数据类型，通常以"_info"结尾

  • 阅读class文件

​    创建如下代码：

public class Test {    
	private static String params = "Hello World";    
	public static void main(String[] args) {        
		System.out.println("params = " + params);    
	}
}

​    通过反编译(javap)查看生成的class文件：

Classfile /F:/crazy/freedom/ifd-jvm/target/classes/cn/crazy/dreamer/Test.class
  Last modified 2020-10-12; size 861 bytes
  MD5 checksum 03940161a851df384ccc9ab26db9046c
  Compiled from "Test.java"
public class cn.crazy.dreamer.Test
  minor version: 0
  major version: 52  // 与jdk有关
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER  // 访问标识public，super
Constant pool:  // 常量池
   #1 = Methodref          #12.#30        // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #31.#32        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Class              #33            // java/lang/StringBuilder
   #4 = Methodref          #3.#30         // java/lang/StringBuilder."<init>":()V
   #5 = String             #34            // params =
   #6 = Methodref          #3.#35         // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   #7 = Fieldref           #11.#36        // cn/crazy/dreamer/Test.params:Ljava/lang/String;
   #8 = Methodref          #3.#37         // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
   #9 = Methodref          #38.#39        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #10 = String             #40            // Hello World
  #11 = Class              #41            // cn/crazy/dreamer/Test
  #12 = Class              #42            // java/lang/Object
  #13 = Utf8               params
  #14 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #15 = Utf8               <init>
  #16 = Utf8               ()V
  #17 = Utf8               Code
  #18 = Utf8               LineNumberTable
  #19 = Utf8               LocalVariableTable
  #20 = Utf8               this
  #21 = Utf8               Lcn/crazy/dreamer/Test;
  #22 = Utf8               main
  #23 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #24 = Utf8               args
  #25 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #26 = Utf8               MethodParameters
  #27 = Utf8               <clinit>
  #28 = Utf8               SourceFile
  #29 = Utf8               Test.java
  #30 = NameAndType        #15:#16        // "<init>":()V
  #31 = Class              #43            // java/lang/System
  #32 = NameAndType        #44:#45        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #33 = Utf8               java/lang/StringBuilder
  #34 = Utf8               params =
  #35 = NameAndType        #46:#47        // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #36 = NameAndType        #13:#14        // params:Ljava/lang/String;
  #37 = NameAndType        #48:#49        // toString:()Ljava/lang/String;
  #38 = Class              #50            // java/io/PrintStream
  #39 = NameAndType        #51:#52        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #40 = Utf8               Hello World
  #41 = Utf8               cn/crazy/dreamer/Test
  #42 = Utf8               java/lang/Object
  #43 = Utf8               java/lang/System
  #44 = Utf8               out
  #45 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #46 = Utf8               append
  #47 = Utf8               (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #48 = Utf8               toString
  #49 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #50 = Utf8               java/io/PrintStream
  #51 = Utf8               println
  #52 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public cn.crazy.dreamer.Test();  // 无参构造
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 11: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcn/crazy/dreamer/Test;

  public static void main(java.lang.String[]); // main方法
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: new           #3                  // class java/lang/StringBuilder
         6: dup
         7: invokespecial #4                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        10: ldc           #5                  // String params =
        12: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        15: getstatic     #7                  // Field params:Ljava/lang/String;
        18: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        21: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
        24: invokevirtual #9                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        27: return
      LineNumberTable:
        line 16: 0
        line 17: 27
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      28     0  args   [Ljava/lang/String;
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      args

  static {};  // 静态变量初始化，在jvm静态变量初始化都是通过静态块实现
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC 
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: ldc           #10                 // String Hello World
         2: putstatic     #7                  // Field params:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 13: 0
}
SourceFile: "Test.java"

​​    我们通过反编译生成的classFile是jdk工具将二进制的.class文件根据java虚拟机规范解析成我们开发人员比较易于阅读的格式。

​​    javap工具生成非正式的"虚拟机汇编语言"，格式如下：

​ [index][opcode][operand1][operand2…]][comment]

  • [index]是指令操作码在数组中的下标，该数组以字节形式来存储当前方法的java虚拟机代码；也可以是相对于方法起始处的字节偏移量(对应上面代码中的 0)
  • [opercode]是指令的助记码(对应上面代码中的 ldc)
  • [opercoderand]是操作数(对应上面代码中的 #10)
  • [comment]是行尾的注释(对应上面代码中的 // String Hello World)

​    阅读class文件时需要注意：

  • constant_pool_count：是从1开始的
  • 不同的常量类型，用tag来区分的，它后面对应的info结构是不一样的
  • L表示对象，[表示数组、V表示void
  • stack:方法执行时操作栈的深度
  • locals:局部变量所需的存储空间，单位是slot（slot是虚拟机为局部变量分配内存所使用的最小单位）
  • args_size:参数个数，为1的话，因实例方法默认会传入this,local也会预留一个slot来存放

​    以如下classfile为例，我们大概来阅读下：

static {};    
descriptor: ()V    
flags: ACC_STATIC    
Code:      stack=1, locals=0, args_size=0         
	0: ldc           #10                 // String Hello World         
	2: putstatic     #7                  // Field params:Ljava/lang/String;         
	5: return      
	LineNumberTable:        
		line 13: 0        
	ldc #10:装载常量hello world(#10表示在常量池中的编号)putstatic #7:赋值给params

​    我们粗略阅读下main方法反编译生成的代码：

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: new           #3                  // class java/lang/StringBuilder
         6: dup
         7: invokespecial #4                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        10: ldc           #5                  // String params =
        12: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        15: getstatic     #7                  // Field params:Ljava/lang/String;
        18: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        21: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
        24: invokevirtual #9                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        27: return
      LineNumberTable:
        line 16: 0
        line 17: 27
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      28     0  args   [Ljava/lang/String;
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      args
      
getstatic     #2：拿到PrintStream
new           #3：创建stringbuild对象
dup：复制
invokespecial #4：调用初始化方法初始化stringbuild对象
ldc           #5：装载常量
invokevirtual #6: 调用方法
getstatic     #7:获取静态变量

  • 使用IDEA执行javap

    ​    每次执行javap反编译命令时，都要进入.class文件的目录，相对来说比较麻烦，我们可以通过idea来运行javap

    依次点击"Settrings"->“Tools”->“External Tools”，点击"+"添加一个外部工具
    img
    ​​    进入编辑页面，按如图所示进行配置：
    img
    ​    在java文件上点击右键(前提是java文件已经编译完成)，按如图所示进行操作，即可在idea命令窗口输出class信息。
    img
    ​​    class字节码规范在java虚拟机规范中有详细描述，建议到官网中下载官方文档进行阅读(https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html)，也可以购买JVM方面的书籍(Java 虚拟机规范[爱飞翔 周志明 等译])

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