[java]JVM之运行时常量池里到底有什么
1. 概念
首先我们来复习一下java内存模型，java运行时数据区大概分为五块，分别是
- 方法区
- 虚拟机栈
- 本地方法栈
- 堆
- 程序计数器
而运行时常量池是方法区的一部分，文字解释：
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（ConstantPool Table）， 用于存放编译器生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
从这段描述中我们可以得出结论，运行时常量池里面存放的是从Class文件中的常量池表中加载到的数据，为了搞清楚运行时常量池里有什么，我们需要搞清楚对应常量池表里面有什么
2. 常量池表
2.1 Class文件的数据类型
先说一下Class的文件格式：Class文件的文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构中只有两种数据类型，“无符号数”和“表”。
- 无符号数属于基本的数据类型，以u1/u2/u4/u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节、8个字节的的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按utf-8编码构成字符串值。
- 表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的符合数据类型，为了便于区分，所有表的命名都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上也可以视作是一张表。
2.2 常量池
常量池可以比喻为Class文件里的资源仓库，它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据。
常量池中主要存放两大数据：字面量和符号引用。字面量比较接近Java语言层面的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。
2.2.1 符号引用
由于Java代码在进行Javac编译的时候，并不像C/C++那样有“连接”这一步骤，而是在虚拟机加载Clsss文件的时候进行动态连接，因此，在我们将Java代码编译成Class文件后，Class文件并不会保存方法、字段等在内存中的布局。为了解决这个问题，Class文件会在常量池内保存方法、字段等的符号引用。所谓符号引用，我们可以简单的理解为真正内存布局的占位符，在类加载过程的解析阶段，符号引用会被替换为真正的直接引用。
2.2.2 常量池的结构
常量池中每一项常量都是一个表，这些表都有一个共同的特点，即表结构的起始第一位为一个u1类型的标志位，代表着当前常量属于哪一种常量类型
常量池中的项目类型
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| CONSTANT_Utf8_info | 1 | UTF-8编码的字符串 |
| CONSTANT_Integer_info | 3 | 整形字面量 |
| CONSTANT_Float_info | 4 | 浮点型字面量 |
| CONSTANT_Long_info | 5 | 长整型字面量 |
| CONSTANT_Double_info | 6 | 双精度浮点型字面量 |
| CONSTANT_Class_info | 7 | 类或接口的符号引用 |
| CONSTANT_String_info | 8 | 字符串类型字面量 |
| CONSTANT_Fieldref_info | 9 | 字段的符号引用 |
| CONSTANT_Methodref_info | 10 | 类中方法的符号引用 |
| CONSTANT_InterfaceMethodref_info | 11 | 接口中方法的符号引用 |
| CONSTANT_NameAndType_info | 12 | 字段或方法的部分符号引用 |
| CONSTANT_MethodHandle_info | 15 | 表示方法句柄 |
| CONSTANT_MethodType_info | 16 | 表示方法类型 |
| CONSTANT_Dynamic_info | 17 | 表示一个动态计算常量 |
| CONSTANT_InvkoeDynamic_info | 18 | 表示一个动态方法调用点 |
| CONSTANT_Module_info | 19 | 表示一个模块 |
| CONSTANT_Package_info | 20 | 表示一个模块中开放或者导出的包 |
具体表信息和表结构如下：
2.2.2.1 CONSTANT_Utf8_info
| 类型 | 标志 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为1 |
| length | u2 | UTF-8编码的字符串占用的字节数 |
| bytes | u1 | 长度为length的UTF-8编码的字符串，总共length个 |
2.2.2.2 CONSTANT_Integer_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为3 |
| bytes | u4 | 按照高位在前存储的int值 |
2.2.2.3 CONSTANT_Float_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为4 |
| bytes | u4 | 按照高位在前存储的float值 |
2.2.2.4 CONSTANT_Long_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为5 |
| bytes | u8 | 按照高位在前存储的long值 |
2.2.2.5 CONSTANT_Double_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为6 |
| bytes | u8 | 按照高位在前存储的double值 |
2.2.2.6 CONSTANT_Class_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为7 |
| index | u2 | 指向全限定名常量项的索引 |
2.2.2.7 CONSTANT_String_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为8 |
| index | u2 | 指向字符串字面量的索引 |
2.2.2.8 CONSTANT_Fieldref_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为9 |
| index | u2 | 指向声明字段的类或者接口描述符CONSTANT_Class_info的索引项 |
| index | u2 | 指向字段描述符CONSTANT_NameAndType的索引项 |
2.2.2.9 CONSTANT_Methodref_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为10 |
| index | u2 | 指向声明方法的类或者接口描述符CONSTANT_Class的索引项 |
| index | u2 | 指向名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType的索引项 |
2.2.2.10 CONSTANT_InterfaceMethodref_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为11 |
| index | u2 | 指向声明方法的接口描述符CONSTANT_Class的索引项 |
| index | u2 | 指向名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType的索引项 |
2.2.2.11 CONSTANT_NameAndType_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为12 |
| index | u2 | 指向该字段或方法名称常量项的索引 |
| index | u2 | 指向该字段或方法描述符常量项的索引 |
2.2.2.12 CONSTANT_MethodHandle_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为15 |
| reference_kind | u1 | 值必须在1至9之间[1-9]它决定了方法句柄的类型。方法句柄类型的值表示方法句柄的字节码行为 |
| reference_index | u2 | 值必须是对敞亮吃的有效索引 |
2.2.2.13 CONSTANT_MethodType_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为16 |
| descriptor_index | u2 | 值必须是对常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info结构，表示方法的描述符 |
2.2.2.14 CONSTANT_Dynamic_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为17 |
| bootstrap_method_attr_index | u2 | 值必须是对当前Class文件中引导方法表的bootstrap_methods[]数组的有效索引 |
| name_and_type_index | u2 | 值必须是对当前常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_NameAndType_info结构，表示方法名和方法描述符 |
2.2.2.15 CONSTANT_InvkoeDynamic_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为18 |
| bootstrap_method_attr_index | u2 | 值必须是对当前Class文件中引导方法表的bootstrap_methods[]数组的有效索引 |
| name_and_type_index | u2 | 值必须是对当前常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_NameAndType_info结构，表示方法名和方法描述符 |
2.2.2.16 CONSTANT_Module_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为19 |
| name_index | u2 | 值必须是对常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info结构，表示模块名称 |
2.2.2.17 CONSTANT_Package_info
| 项目 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| tag | u1 | 值为19 |
| name_index | u2 | 值必须是对常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info结构，表示包名称 |
3. 查看常量池表
如果我们使用文本编辑器打开某个Class文件，那么你见到的场景大概是这样的：
image.png
除了魔数CAFE BABE 其他的信息阅读起来可能会有很大的困难。好在Oracle为我们提供了一个专门用于分析Class文件字节码的工具：javap。javap的使用方式：
javap -verbose xxxx.class
简单写一个java类Test, 代码如下：
public class Test {
String test = "dafa";
String test1 = "soft";
String test3 = "dafasoft";
public Test() {
}
void Test() {
this.testFun();
}
public void testFun() {
}
public void testFun1() {
}
public void testFun2() {
}
public static void main(String[] args) {
}
}
我们编译后使用javap命令，观察一下它的常量池表是什么样的。它的常量池表截图如下：
image.png
javap工具为我们自动加了注释，但实际上如果我们把上面的表结构看完，不加注释也是看明白的
举两个例子：
3.1. 示例一：String test3 = "dafasoft";
这是我们在java类中定义的字符串字面常量，如何在常量池表中寻找呢？首先，它是一个Field，我们首先寻找Fieldref，上图的表中共有三个Fieldref，我们逐一查找即可。
根据 第2.2.2.8章节的表结构我们知道，Filedref后面的两个值是两个index， 分别指向声明字段的类或者接口描述符CONSTANT_Class_info的索引项 和 指向字段描述符CONSTANT_NameAndType的索引项，比如 #7处的Fieldref对应的值为#9.#40， #9 对应的值为#42， #42对应的值字符串“com/dafasoft/test/Test”； #40对应的值为#14:#12， #14对应的值为字符串test3， #12对应的值为字符串“Ljava/lang/String;”, 这些信息频道一起，我们就可以得出#7处的Fieldref是指向com/dafasoft/test/Test.test3:Ljava/lang/String;处的一个字符引用。
到现在为止，我们已经知道这个类里有一个引用指向com/dafasoft/test/Test.class 的变量test3 ，其类型为String类型，那么它是怎么和它的值"dafasoft"产生关联的呢？这和对象的初始化有关，具体的字节码在<init>方法中：
image.png
注意看Code的第17 和19行。查询字节码指令可知，ldc指令的含义是'将int、float、或String型常量值从常量池中推送至栈顶' putfied指令的含义是'为指定类的实例field赋值'，查询常量池表可知，#6对应的值为字符串"dafasoft"。在执行过这两条指令后，我们才完成了对String变量test3的赋值。
3.2 示例二：this.testFun();
这条语句在构造方法Test() 中，要调用方法，需要知道这个方法在方法区的引用。方法的引用在常量池表里的形式为CONSTANT_Methodref_info, 查看本例的常量池表，它的索引为#8，具体的分析形式我们就不展开了，跟示例一的解析方式是一样的，解析完成后我们得知，它是一个指向com/dafasoft/test/Test.testFun:()V的一个符号引用，翻译成java语言就是：com.dafasoft.test包里Test类的void testFun()方法。
调用方式在Test 方法的字节码中：
image.png
注意看Code的第一行，这行指令的意思是，调用指向字符引用 #8的方法，而字符引用 #8 对应的方法就是
com/dafasoft/test/Test.testFun:()V
由此我们也可以得出一个结论：当Java类中产生方法调用时才会在常量池中添加该方法的引用。那么本类中定义的方法去哪了？比如，Test类有三个方法，只有testFun出现了调用，testFun1和testFun2的引用就没有出现在常量池表中。那么这三个方法的实现在哪里呢？答案是 字节码的方法表中，当然这是另外的话题了。
常量池表中有17种类型，这17种类型的引用都可以用这种方式推导出来，我们就不一一介绍了。
