JVM之类文件结构（六）

    各种不同的平台虚拟机与所有平台都统一使用的程序存储格式–字节码是构成平台无关性的基石。
    除了在Java外，还有很多其它在JVM上运行的语言比如：JRuby、Scala、Groovy等。

Class文件结构：

    实现语言平台无关性的基础仍然是是虚拟机和字节码存储格式。
    Java虚拟机不与包括Java在内的任何语言绑定，它只与“Class文件”这特定二进制文件格式有关，Class文件中包含了Java虚拟机指令集和符号以及其它若干辅助信息。基于安全考虑，对Class文件做了强制性语法和结构化约束，任何一门语言都可以表示为一个被JVM所接受的有效Class文件。需要字节码命令组合实现各种语义。
    任何一个Class文件都对应着唯一一个类或接口的定义信息，但反过来说，类或接口并不一定定义在文件里（类或接口也可以通过类加载器直接生成）。
    Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑排列在Class文件中，中间没有添加任何分隔符，内容几乎全部是运行时必要的数据，没有间隙。当遇到占用超过8位字节以上空间的数据时，会按照高位在前（大端存储）的方式分割成若干个8位自己进行存储，其文件格式采用类似C语言结构体的伪结构来存储数据且只有两种数据类型：无符号数和表，后面的解析都要以这两种数据类型为基础。
    无符号数：以u1、u2、u4、u8分别代表一个字节、两个字节、四个字节、八个字节的无符号数，无符号数可以描述数字、索引引用、数量值或按照utf-8编码构成的字符串值。
    表：是由多个无符号数或者其他表作为数据项的符合数据类型，所有的表都习惯性以“_info”结尾。

    Class文件结构排布
1、魔数：每个Class文件开头四个字节为魔数，十六进制值为“oxCAFEBABE”，用于标识是一个jvm认可的Class文件，选择不使用”.class”验证是因为文件后缀是可以改的。
2、版本号：总共四个字节，第五个和第六个字节是次版本号，第七个和第八个是主版本号。Java1.7可生成主版本号最大为51.0
3、常量池：紧接着就是常量池的入口，由于常量池数据每个Class文件可能都不一样，因此长度不是固定的，需要开头一个u2类型的数据来表示常量池中常量的项数（并非字节长度，每一项常量长度可能不一样），而实际项数是数值-1，下标索引从1开始，0作为表示后面指向常量池的索引值数据在特定情况下需要表达“不引用任何一个常量池的项目”。
    常量池中每一项常量都是一个表，比如开头第一个u1（07）表示类型为：“CONSTANT_Class_info”,则表示这是一个类或接口的符号引用，则它的结构式tag(u1（07）)、name_index(u2（是一个索引值指向常量池中一个CONSTANT_Utf8_info类型常量）).标志位u1已经解释过，则u1与紧跟后面u2组成“CONSTANT_Class_info”,因此第一项常量还包含后面两个字节长度的内容0x0002，表示指向第二个常量


由于Class文件中方法、字段等都需要引用CONSTANT_Utf8_info类型常量来描述名称，从上图中可以看出，tag标志位为1的未该类型常量，用u2类型表示后面字节长度，由于2个字节最多表示2的16次方（0-65535）因此方法或变量名称用英文字符最多不超过64KB（64K字节），紧跟着长度后面就是length个字节长度的内容。
Oracel公司为我们准备了一个专门分析Class文件字节码的工具 javap 在命令行中输入javap -verbose TestClass就可以把字节码内容。

CONSTANT_Class_info结构分两部分，首先是所有项都必须有的u1类型tag标志位，后面一个u2类型的index指向常量池中一个全限定名常量项（utf8）的索引。
4、访问标志
常量池后面是一个u2类型的访问标志，这个标志用于识别一些类或接口层次的访问信息：类还是接口，是否为public类型，是否为abstract类型，如果是类的话是否被声明为final等。
ACC_PUBLIC:0x0001
ACC_FINAL:0x0010
ACC_SUPER:0x0020
…..
所有符合包含的项相加值为该访问标志的值。
5、类索引、父类索引和接口索引集合
类索引和父类索引都是一个u2类型的数据，它的值是指向常量池中一个CONSTANT_Class_infol类型的常量项索引；但是由于接口可以继承多个所以是不固定的，因此分两部分：第一部分u2类型的（interfaces_count）接口计数器，用来记录接口的数量；第二部分就是interfaces_count个接口索引，指向常量池中全限定名常量项。
6、字段表集合
字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量。字段（field）包括类级变量（static修饰）和实例变量（非static修饰），但不包括方法中的变量（方法中变量存储在栈帧中的局部变量表中，一个栈帧对应一个方法执行）。
字段表集合中不会列出从超类或者父类接口中继承而来的字段，但可能会列出java原本不存在的字段：比如this或者内部类指向外部类的字段。
包含两部分：计数容量和项内容
包含的信息有；字段的作用域（public protect…）是实例变量还是类变量、可变性（final）、并发可变性（volatile）…..
上述各个字段都是boolean值，最终合并起来用一个值access_flags（field_info结构如下），具体的数据还是引用常量来表示，最终的数据项格式:
u2 access_flags 1 与类中的访问标志符非常相似
u2 name_index 1 字段的简单名称 inc（）方法，为inc 去掉类型和参数的方法或字段名称
u2 descriptor_index 1 字段和方法的描述符 描述字段的数据类型、方法的参数列表（数量、类型及顺序）和返回值。描述符比如“java.lang.String[][]’”二维数据:”[[Ljava/lang/String;”(注意java对象用L表示，long用J表示，区别与其他的类型标识)，int[]:[I; 描述方法先参数列表顺序，后返回值的顺序。参数列表要在小括号内：void inc():()V、java.lang.String.toString():()Ljava/lang/String; 、int index（char[] source,int sourceoffset,char[] target）：（[CI[C)I
……………………………………………………………………..
字段表包含的固定数据项到此结束，后面属于非必须项来描述额外信息。
u2 attributes_count 1
attribute_info attributes attribute_count
7、方法表集合

与字段表集合表示方法类似，内容有区别。也有一个最终的项结构类似。方法除了用户编写的外，编译器也会自动添加比如类构造器“”方法和实例构造器“”方法。
重载：需要一个与原方法相同名称，但不同特征签名，（java代码层面）而返回值不包含在签名中，因此不能仅仅靠返回值来实现重载，因此要参数类型及顺序不同。
在方法表的属性表有一个code属性用来存储编译后方法体字节码指令（与之对应的字段表属性中有ConstantValue表示final关键词定义的常量值）。
8、属性表集合
Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，这部分应该是从他们之中单拉出讲解，并不属于单独的部分，并且java虚拟机对这个部分要求就稍微宽松一些。
其中属性表中最重要的一个属性是Code，方法表中的属性表中的code属性存储方法体。
》Code属性
它的结构：

如果把一个java程序中的信息分为代码（Code，方法体里面的java代码）和元数据（metadata，包括类、字段、方法定义及其他信息）两部分，那么整个Class文件中，Code属性用于描述代码，所有的其他数据项都用于描述元数据。
其实java字节码执行引擎是面向操作数栈，但是某些指令（invokespecial）还会带有参数（紧跟指令后面，而其他很多操作数都是操作数栈顶元素或栈顶前几个元素），区别于面向物理机的寄存器的系统。

这个类有两个方法–实例构造器()和inc(),这两个方法很明显都没有参数， 为什么args_size=1,这是因为每个实例方法里都有一个对象指向所属对象，而实现就是编译器编译的时候把this关键字的访问，转变为一个普通方法参数的访问，就是自动把参数传进去，方法体里面就可以使用。如果方法是static则是不会存在this，也就args_size=0。
字节码指令后面是显示异常表处理表的集合，这对于Code属性并不是必须存在的。
异常表的格式：

含义：当字节码在第start_pc行到第end_pc行出现了类型为catch_type（指向一个CONSTANT_Class_info型常量索引）或者其子类的异常，则转到第handler_pc行去继续处理。当catch_type为0时，表示不指向常量池，则这个时候所有的异常都到handler_pc行处理。由此可以看出编译器是使用异常表而不是简单跳转指令来实现java异常及finally处理机制（以前是）。
》Exception属性
区别于前面的code属性中的异常表，与Code同级，且属于方法表属性表，Exceptions属性列举出方法中可能抛出的受检查（用户在throws 后面列出的异常）的异常。
属性表结构：

》LineNumberTable属性
描述java源码行号与字节码行号对应的关系，这样抛出异常可以定位行号，如果选则去掉则不会显示行号
》LocalVariableTable属性
描述栈帧中局部变量表中的变量与java源码定义的变量的关系，如果去掉对运行虽然没有影响，但别人引用这个方法时，参数名称会丢失，会使用arg0，arg1来表示，而且调试的时候无法根据参数名称来获取参数值。
》Constantvalue属性
通知jvm自动为静态变量赋值，对于实例变量（非static）的赋值在方法中进行，而对于类变量采用两种方式：有static没有final则在初始化阶段赋值,有final修饰，则根据Constantvalue在准备阶段就开始赋值。但这种方式只限于基本数据类型和String。
》InnerClass属性
记录一个类内部类的信息（数量，每个类的一些情况）
》StatckMapTable属性
在Code属性中，在虚拟机类加载的字节码验证阶段被类型检查器使用，代替以前比较消耗性能的基于数据流分析的类型推倒验证器。这项属性表述了方法体中所有的基本块（basic block 按照控制流分拆的块）开始时本地变量表和操作数栈应有的状态，在字节码验证期间，不需要推到合发性状态只需验证即可，这样可以节省一些时间，但也会存在被篡改的问题。
》Signature属性
用来记录泛型类型，因为java语言的泛型采用类型擦除法实现伪泛型，在字节码中，类型被擦除，虽然实现简单，但运行期间反射无法获得泛型信息，所以增设这个属性来通过反射也能获得泛型类型。可以表示类签名、方法类型签名、字段表类型签名。

字节码指令简介

Java虚拟机的指令是由一个字节长度、代表某种特定操作含义的数字（操作码）以及跟随后面的零个（操作数栈数据）或多个此操作所需的操作数构成。jvm面向操作数栈而不是寄存器，所以它的大多数指令不跟操作数（默认在操作数栈）
1、字节码与数据类型绑定
**加载和存储指令用在数据在栈帧中局部变量表和操作数栈：**iload用于从栈帧中局部变量表中加载int类型到操作数栈中。fstore把操作数栈中float类型存储在局部变量表中。由于虚拟机操作码只有一个字节（最多共有256种指令）,包含操作类型的指令操作码也有很大压力，如果支持所有的数据类型，则指令数可能已经超出256种了，所以对于有些不支持的类型（byte、char、short、boolean）先通过类型扩展或零位扩展为int类型处理。
2、运算指令
对于操作数栈两个操作数运算，并把结果压入栈顶。java虚拟机规范没有明确规定整型溢出具体运算结果。，仅规定整型（int long）进行除（idiv ldiv）和取余数（irem lrem）时除数为零时的异常。其余任何任何时候都不应该抛出异常（超出范围就按能表示最大值或最小值表示，如果原值是无穷大或者无穷小那么都表示NaN）。
3、类型转换指令
类型转换指令可以将两种不同数值类型进行相互转换：实现用户代码中的显示类型转换操作；或指令集中不支持的数据类型转为指令支持的类型。
jvm直接支持（无需显示转换）宽化类型转换（小范围向大范围转换）：byte/char/short->int->long->float->double(虽然float占四个字节但表示方法不同，所以比long表示的范围大)。
浮点值转为整型数值：
将一个浮点值窄化为整型（int 或者long）时，如果浮点值是NaN，那转换结果int或long就是0；
如果浮点数不是无穷大，向零舍入后在整型范围内，那么就是转换结果。
如果不在范围则根据符号转换整型所能表示的最大或者最小正数。
double到float：
如果转换的值结果绝对值太小而无法使用float表示的话，将返回float类型的正负零。如果转换结果的绝对值太大而无法使用float来表示的话，将返回float类型的正负无穷大。对于NaN值将按规定转换为float类型的NaN。
4、同步指令
jvm支持方法级和方法内部一段指令序列的同步，这两种同步结构都是使用管程来支持的。
方法级的同步是隐式的，无需通过字节码指令控制，它实现在方法调用和返回操作之中。虚拟机可以通过方法结构中的ACC_SYNCHRONIZED访问得知是否为一个同步方法。如果是同步方法，则执行线程会被要求先成功持有管程，然后才执行方法，方法完成（正常或非正常）释放管程。执行线程有个管程，其他线程无法获得同一个管程，如果方法执行期间抛出了异常，且无法处理，这个方法所持有的管程在异常抛出方法外释放。
指令集序列的同步通过synchronized来实现：

void onlyMe（Foo f）{
synchronized（f）{
  doSomething();
}
}

指令集monitorenter和monitorexit两条指令来支持同步，年末一起必须确保无论方法通过何种方式完成，方法中调用过的每条monitorenter都必须有对应的monitorexit指令执行。