深入理解JVM虚拟机4：Java class介绍与解析实践

前言

身为一个java程序员，怎么能不了解JVM呢，倘若想学习JVM，那就又必须要了解Class文件，Class之于虚拟机，就如鱼之于水，虚拟机因为Class而有了生命。《深入理解java虚拟机》中花了一整个章节来讲解Class文件，可是看完后，一直都还是迷迷糊糊，似懂非懂。正好前段时间看见一本书很不错：《自己动手写Java虚拟机》，作者利用go语言实现了一个简单的JVM，虽然没有完整实现JVM的所有功能，但是对于一些对JVM稍感兴趣的人来说，可读性还是很高的。作者讲解的很详细，每个过程都分为了一章，其中一部分就是讲解如何解析Class文件。

这本书不太厚，很快就读完了，读完后，收获颇丰。但是纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，我便尝试着自己解析Class文件。go语言虽然很优秀，但是终究不熟练，尤其是不太习惯其把类型放在变量之后的语法，还是老老实实用java吧。

话不多说，先贴出项目地址：github.com/HalfStackDe…

Class文件

什么是Class文件？

java之所以能够实现跨平台，便在于其编译阶段不是将代码直接编译为平台相关的机器语言，而是先编译成二进制形式的java字节码，放在Class文件之中，虚拟机再加载Class文件，解析出程序运行所需的内容。每个类都会被编译成一个单独的class文件，内部类也会作为一个独立的类，生成自己的class。

基本结构

随便找到一个class文件，用Sublime Text打开是这样的：

是不是一脸懵逼，不过java虚拟机规范中给出了class文件的基本格式，只要按照这个格式去解析就可以了：

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 interfaces_count;
       u2 interfaces[interfaces_count];
       u2 fields_count;
       field_info fields[fields_count];
       u2 methods_count;
      method_info methods[methods_count];
       u2 attributes_count;
       attribute_info attributes[attributes_count];
}

ClassFile中的字段类型有u1、u2、u4,这是什么类型呢？其实很简单，就是分别表示1个字节，2个字节和4个字节。

开头四个字节为：magic，是用来唯一标识文件格式的，一般被称作magic number（魔数），这样虚拟机才能识别出所加载的文件是否是class格式，class文件的魔数为cafebabe。不只是class文件，基本上大部分文件都有魔数，用来标识自己的格式。

接下来的部分主要是class文件的一些信息，如常量池、类访问标志、父类、接口信息、字段、方法等，具体的信息可参考《Java虚拟机规范》。

解析

字段类型

上面说到ClassFile中的字段类型有u1、u2、u4，分别表示1个字节，2个字节和4个字节的无符号整数。java中short、int、long分别为2、4、8个字节的有符号整数，去掉符号位，刚好可以用来表示u1、u2、u4。

public class U1 {
    public static short read(InputStream inputStream) {
        byte[] bytes = new byte[1];
        try {
            inputStream.read(bytes);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        short value = (short) (bytes[0] & 0xFF);
        return value;
    }
}

public class U2 {
    public static int read(InputStream inputStream) {
        byte[] bytes = new byte[2];
        try {
            inputStream.read(bytes);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        int num = 0;
        for (int i= 0; i < bytes.length; i++) {
            num <<= 8;
            num |= (bytes[i] & 0xff);
        }
        return num;
    }
}                                                                                                                                                                                   

public class U4 {
    public static long read(InputStream inputStream) {
        byte[] bytes = new byte[4];
        try {
            inputStream.read(bytes);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        long num = 0;
        for (int i= 0; i < bytes.length; i++) {
            num <<= 8;
            num |= (bytes[i] & 0xff);
        }
        return num;
    }
}

常量池

定义好字段类型后，我们就可以读取class文件了，首先是读取魔数之类的基本信息，这部分很简单：

FileInputStream inputStream = new FileInputStream(file);
ClassFile classFile = new ClassFile();
classFile.magic = U4.read(inputStream);
classFile.minorVersion = U2.read(inputStream);
classFile.majorVersion = U2.read(inputStream);

这部分只是热热身，接下来的大头在于常量池。解析常量池之前，我们先来解释一下常量池是什么。

常量池，顾名思义，存放常量的资源池，这里的常量指的是字面量和符号引用。字面量指的是一些字符串资源，而符号引用分为三类：类符号引用、方法符号引用和字段符号引用。通过将资源放在常量池中，其他项就可以直接定义成常量池中的索引了，避免了空间的浪费，不只是class文件，Android可执行文件dex也是同样如此，将字符串资源等放在DexData中，其他项通过索引定位资源。java虚拟机规范给出了常量池中每一项的格式：

cp_info {
    u1 tag;
    u1 info[]; 
}

由于格式太多，文章中只挑选一部分讲解：

这里首先读取常量池的大小，初始化常量池：

//解析常量池
int constant_pool_count = U2.read(inputStream);
ConstantPool constantPool = new ConstantPool(constant_pool_count);
constantPool.read(inputStream);

接下来再逐个读取每项内容，并存储到数组cpInfo中，这里需要注意的是，cpInfo[]下标从1开始，0无效，且真正的常量池大小为constant_pool_count-1。

public class ConstantPool {
    public int constant_pool_count;
    public ConstantInfo[] cpInfo;

    public ConstantPool(int count) {
        constant_pool_count = count;
        cpInfo = new ConstantInfo[constant_pool_count];
    }

    public void read(InputStream inputStream) {
        for (int i = 1; i < constant_pool_count; i++) {
            short tag = U1.read(inputStream);
            ConstantInfo constantInfo = ConstantInfo.getConstantInfo(tag);
            constantInfo.read(inputStream);
            cpInfo[i] = constantInfo;
            if (tag == ConstantInfo.CONSTANT_Double || tag == ConstantInfo.CONSTANT_Long) {
                i++;
            }
        }
    }
}

我们先来看看CONSTANT_Utf8格式，这一项里面存放的是MUTF-8编码的字符串：

CONSTANT_Utf8_info { 
    u1 tag;
    u2 length;
    u1 bytes[length]; 
}

那么如何读取这一项呢？

public class ConstantUtf8 extends ConstantInfo {
    public String value;

    @Override
    public void read(InputStream inputStream) {
        int length = U2.read(inputStream);
        byte[] bytes = new byte[length];
        try {
            inputStream.read(bytes);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        try {
            value = readUtf8(bytes);
        } catch (UTFDataFormatException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private String readUtf8(byte[] bytearr) throws UTFDataFormatException {
        //copy from java.io.DataInputStream.readUTF()
    }
}

很简单，首先读取这一项的字节数组长度，接着调用readUtf8(),将字节数组转化为String字符串。

再来看看CONSTANT_Class这一项，这一项存储的是类或者接口的符号引用：

CONSTANT_Class_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

注意这里的name_index并不是直接的字符串，而是指向常量池中cpInfo数组的name_index项，且cpInfo[name_index]一定是CONSTANT_Utf8格式。

public class ConstantClass extends ConstantInfo {
    public int nameIndex;

    @Override
    public void read(InputStream inputStream) {
        nameIndex = U2.read(inputStream);
    }
}

常量池解析完毕后，就可以供后面的数据使用了，比方说ClassFile中的this_class指向的就是常量池中格式为CONSTANT_Class的某一项,那么我们就可以读取出类名：

int classIndex = U2.read(inputStream);
ConstantClass clazz = (ConstantClass) constantPool.cpInfo[classIndex];
ConstantUtf8 className = (ConstantUtf8) constantPool.cpInfo[clazz.nameIndex];
classFile.className = className.value;
System.out.print("classname:" + classFile.className + "\n");

字节码指令

解析常量池之后还需要接着解析一些类信息，如父类、接口类、字段等，但是相信大家最好奇的还是java指令的存储，大家都知道，我们平时写的java代码会被编译成java字节码，那么这些字节码到底存储在哪呢？别急，讲解指令之前，我们先来了解下ClassFile中的method_info，其格式如下：

method_info {
    u2 access_flags;
    u2 name_index;
    u2 descriptor_index;
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

method_info里主要是一些方法信息：如访问标志、方法名索引、方法描述符索引及属性数组。这里要强调的是属性数组，因为字节码指令就存储在这个属性数组里。属性有很多种，比如说异常表就是一个属性，而存储字节码指令的属性为CODE属性，看这名字也知道是用来存储代码的了。属性的通用格式为：

attribute_info {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u1 info[attribute_length];
}

根据attribute_name_index可以从常量池中拿到属性名，再根据属性名就可以判断属性种类了。

Code属性的具体格式为：

Code_attribute {
    u2 attribute_name_index; u4 attribute_length;
    u2 max_stack;
    u2 max_locals;
    u4 code_length;
    u1 code[code_length];
    u2 exception_table_length; 
    {
        u2 start_pc;
        u2 end_pc;
        u2 handler_pc;
        u2 catch_type;
    } exception_table[exception_table_length];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

其中code数组里存储就是字节码指令，那么如何解析呢？每条指令在code[]中都是一个字节，我们平时javap命令反编译看到的指令其实是助记符，只是方便阅读字节码使用的，jvm有一张字节码与助记符的对照表，根据对照表，就可以将指令翻译为可读的助记符了。这里我也是在网上随便找了一个对照表，保存到本地txt文件中，并在使用时解析成HashMap。代码很简单，就不贴了，可以参考我代码中InstructionTable.java。

接下来我们就可以解析字节码了：

for (int j = 0; j < methodInfo.attributesCount; j++) {
    if (methodInfo.attributes[j] instanceof CodeAttribute) {
        CodeAttribute codeAttribute = (CodeAttribute) methodInfo.attributes[j];
        for (int m = 0; m < codeAttribute.codeLength; m++) {
            short code = codeAttribute.code[m];
            System.out.print(InstructionTable.getInstruction(code) + "\n");
        }
    }
}

运行

整个项目终于写完了，接下来就来看看效果如何，随便找一个class文件解析运行：