手把手教你撸一个Mini JVM系列(1)之解析Class Fi

“真正了不起的程序员对自己的程序的每一个字节都了如指掌”
--《程序员的自我修养》

引子:

写了这么久的Java, 也看了一些关于JVM的书籍, 但是总感觉对JVM理解的还不是很够, 不能很清楚的理解书中对常量池, 本地变量表, 操作数栈, 堆等的一些解释, 因为只看文字总是不形象的, 对于程序员来说还是代码来的直观, 所以这次就来造一个大轮子, 自己动手写一个Mini JVM, 而且是用Java来写一个JVM. 这个JVM真的非常Mini, 里面不会实现垃圾回收, 也不会实现jdk中的类库(因为是用Java来实现, 所以直接调用Java的类库就可以了, 其实道理是一样的, 如果是用C++来实现JVM肯定调用的是C++的类库). 这里用Java来实现Java虚拟机有一种自包含或者说递归的感觉, 因为用Java实现的虚拟机是可以跨平台的, 但是运行这个Mini JVM又需要一个Java环境, 也就是Java虚拟机, 这个虚拟机是真正的oracle实现的虚拟机, 所以实际上这个Mini JVM只是在真正的虚拟机上虚拟了一个JVM.

1. Class File的文件结构

1.1 总览

因为实现的是Mini JVM, 所以直接从解析class文件作为起点, 而不是从将java源文件编译成class文件开始(这个就相当于实现一个java编译器, 这个轮子造的就大发了。。。).

首先直观的看一下一个具体的class文件的内容长什么样子

图1-1 class-file

这个class文件对应的java源文件

图1-2 source-file

mini jvm就是要执行这个java程序. (之后的mini jvm会支持条件判断, 循环等功能)

1.2 class文件的组成

图1-3 class-file-struct

这里要注意一下, 因为class文件实际上就是一个紧凑的字节码文件, 所以如果当一个数据大于一个字节的时候, 是使用无符号大端模式进行存储的, 大小端模式的区别请看这里.

2. 解析ClassFile

注: 接下来的解析会以我们要执行的EmployeeV1的class文件为例进行讲解.

2.1 魔数

每个class文件的前四个字节称为魔数, 它的作用是确定这个文件是否是一个能被虚拟机接受的Class文件. 虚拟机会对class文件进行校验, 但是不仅仅是校验一个class文件魔数, 还会校验比如其方法的字节码指令是否是支持的等等. 而如果一个文件是class文件, 那么它的魔数就是CAFEBABE, 图1-1可以看到确实如此.

2.2 Class文件的版本号

接下的四个字节是class文件的版本号, 也就是编译出这个class文件的编译器的版本号, 顺序是前两个字节是次版本号, 后两个字节是版本号.
这里简单介绍一个java的版本号. java的版本号是从45开始的, jdk1.0_{jdk1.1的版本号比较特殊是45.0}45.3, 之后每一个大版本发布版本号就加1(也就是jdk1.2的版本号是46), 所以在jdk1.1_{jdk1.2之间的小版本号可以有65535个(也就是jdk1.1的可以支持的版本范围是45.0}45.65535), 至于为什么是65535应该很容易就可以知道, 因为存储小版本号的空间是2个字节, 所以2个字节的无符号范围就是0~65535.同时jdk保持了向下兼容性, 也就是高版本的jdk可以兼容也就是执行低版本的class文件.

从图1-1可以看到, 我使用的版本号是0x000034, 转成十进制也就是次版本号是0, 主版本号是52,
所以计算一下就是jdk1.8(jdk1.2是46, 所以+6就是jdk8的版本号是52). 没错, 我就是用jdk1.8编译这个java源文件的.

具体的class文件版本号的对应关系可以看这里

3. 总结

这篇文章是解析class文件的开端, 也是整个class文件中最简单的部分, 后面就会开始解析class文件中几个最重要的部分的其中一个————常量池. 常量池对整个class文件的结构组成至关重要, 要是没有这个常量池, 我们编译出来的class文件的大小将会大很多很多.

4. 代码地址

5. 本系列其他文章

手把手教你撸一个Mini JVM系列(2)之解析Class File -- 常量池
手把手教你撸一个Mini JVM系列(3)之解析Class File -- 字段、方法、属性
手把手教你撸一个Mini JVM系列(4)之执行引擎
手把手教你撸一个Mini JVM系列(5)之源码分析 -- 常量池、访问标志、类索引
手把手教你撸一个Mini JVM系列(6)之控制流 -- 条件判断和循环