Java虚拟机类文件结构
2018-03-26 本文已影响10人
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Java虚拟机类文件结构
一、无关性的基石
java通过java虚拟机实现一次编写，到处运行
java 虚拟机不和包括java在内的任何语言绑定，它只与“class 文件”这种特定的二进制文件格式关联，class文件包含了Java虚拟机指令集
和符号表以及其他辅助信息。
二、Class类文件的结构
1、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的排列在Class文件中，中间没有任何分隔符；
当遇到占用8位字节以上的空间数据项时，会按照高位在前（大端）的方式分割成若干个8位字节进行存储。
Class文件存储数据类型：无符号数和表
无符号数：基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8代表1个字节，2个字节，4个字节，8个字节的无符号数；无符号数可以用来描述数字、索引引用、
数量值、活字符串值。
表：由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，习惯以_info结尾。
Class文件格式
| 类型 | 名称 | 数量 |
|---|---|---|
| u4 | magic（魔数：Class文件是否能被虚拟机接受） | 1 |
| u2 | minor_version（次版本号） | 1 |
| u2 | major_version（主版本号:jdk 1.7 51.0;1.6 50） | 1 |
| u2 | constant_pool_count（常量池容量） | 1 |
| cp_info | constant_pool(常量池:存放字面量(文本字符串等)、符号引用：类、接口全限定名，字段、方法名称和描述符) | constant_pool_count-1 |
| u2 | access_flag（访问标志:类还是接口；是否为public、abstract、final等） | 1 |
| u2 | this_class（类索引：确定该类全限定名） | 1 |
| u2 | super_class（父类索引：确定父类全限定名） | 1 |
| u2 | interfaces_count（接口索引集合容量） | 1 |
| u2 | interfaces（接口索引集合：描述该类实现了哪些接口） | interfaces_count |
| u2 | fields_count（字段表集合容量） | 1 |
| field_info | fields（字段表集合：描述变量，不包含局部变量） | fields_count |
| u2 | methods_count（方法集合容量） | 1 |
| method_info | methods（方法集合：描述方法） | methods_count |
| u2 | attributes_count | 1 |
| attribute_info | attributes（属性表集合：描述某些场景专有信息,例如code属性存放方法中的java字节码指令） | attributes_count |
方法里的Java代码，经过编译器编译成字节码指令后，存放在属性表集合中的Code属性里。
Code属性是Class文件中最重要的一个属性，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，所有的其他数据项目都用于描述元数据。
三、字节码指令
Java虚拟机的指令由一个字节长度的、代表特定操作含义的数字（操作码）以及跟随其后的操作所需参（操作数）数构成。
java虚拟机指令集所支持的数据类型
| opcode(操作码) | byte | short | int | long | float | double | char | reference |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tipush:将一个常量加载到操作数栈 | bipush | sipush | ||||||
| Tconst | iconst | lconst | fconst | dconst | aconst | |||
| Tload:将一个局部变量加载到操作栈 | iload | lload | fload | dload | aload | |||
| Tstore:将一个数值从操作数栈存储到局部变量表 | istore | lstore | fstore | dstore | astore | |||
| Taload:将一个数组元素加载到操作栈 | baload | saload | iaload | laload | faload | daload | caload | aaload |
| Tastore:将一个数值从操作数栈存储到数组元素 | basotre | sastore | iastore | lastore | fastore | dastore | castore | aastore |
| Tadd:加法指令 | iadd | ladd | fadd | dadd | ||||
| Tsub:减法指令 | isub | lsub | fsub | dsub | ||||
| Tmul:乘法指令 | imul | lmul | fmul | dnul | ||||
| Tdiv:除法指令 | idiv | ldiv | fdiv | ddiv | ||||
| Trem:求余指令 | irem | lrem | frem | drem | ||||
| Tneg:取反指令 | ineg | lneg | fneg | dneg | ||||
| Tshl:左移指令 | ishl | lshl | ||||||
| Tshr:右移指令 | ishr | lshr | ||||||
| Tushr:符号右移指令 | iushr | lushr | ||||||
| Tor:按位或指令 | ior | lor | ||||||
| Tand:按位与指令 | iand | land | ||||||
| Txor:按位异或指令 | ixor | lxor | ||||||
| i2T:类型转换 | i2b | i2s | i2l | i2f | i2d | |||
| l2T:类型转换 | l2i | l2f | l2d | |||||
| f2T:类型转换 | f2i | f2l | f2d | |||||
| d2T:类型转换 | d2i | d2l | d2f | |||||
| Tcmp:比较指令 | lcmp | |||||||
| Tcmpl:比较指令 | fcmpl | dcmpl | ||||||
| Tcmpg:比较指令 | fcmpg | dcmpg | ||||||
| if_TcmpOP:控制转移指令 | if_icmpOP | |||||||
| Treturn:方法返回指令 | ireturn | lreturn | freturn | dreturn | areturn |
除表中指令外还有：
1、对方创建与访问指令：
- 创建类实例指令：new
- 创建数组指令：newarray、anewarray、multianewarray
- 访问类字段(static字段、或者称为类变量)和实例字段(非static字段，或者称为实例变量)指令：getfield、getstatic、putfield、putstatic
- 取数组长度指令：arraylength
- 检查类实例类型指令：instanceof、checkcast
2、操作数栈管理指令：直接操作操作数栈
- 将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈：pop、pop2
- 复制栈顶一个或两个数字并将复制值双份的复制值重新压入栈顶：dup、dup2、dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2
- 将栈顶端两个数值交换:swap
3、方法调用指令
- invokevirtual：用于调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派
- invokeinterface：调用接口方法，在运行时搜索一个实现接口的方法对象，找出适合的方法进调用
- invokespecial：调用一下需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化方法、私有方法、父类方法
- invokestatic：调用类方法(static方法)
- invokedynamic：在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，并执行该方法；
