文章原文：https://gaoyubo.cn/blogs/844dc0e7.html

一、Class類文件的結(jié)構(gòu)

任何一個Class文件都對應(yīng)著唯一的一個類或接口的定義信息。

但是反過來說，類或接口并不一定都得定義在文件里（譬如類或接口也可以動態(tài)生成，直接送入類加載器中）。

Class 文件是一組以 8 位字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進(jìn)制流，各個數(shù)據(jù)項目嚴(yán)格按照順序緊湊地排列在 Class 文件中，中間沒有任何分隔符。

Java 虛擬機(jī)規(guī)范規(guī)定 Class 文件采用一種類似 C 語言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)，這種偽結(jié)構(gòu)中只有兩種數(shù)據(jù)類型：無符號數(shù)和表。

• 無符號數(shù)： 無符號數(shù)屬于基本數(shù)據(jù)類型，以 u1、u2、u4、u8 分別代表 1 個字節(jié)、2 個字節(jié)、4 個字節(jié)和 8 個字節(jié)的無符號數(shù)，可以用它來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或 utf-8 編碼的字符串值。
• 表： 表是由多個無符號數(shù)或其他表為數(shù)據(jù)項構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，名稱上都以 _info 結(jié)尾。

整個Class文件本質(zhì)上也可以視作是一張表，這張表由數(shù)據(jù)項按嚴(yán)格順序排列構(gòu)成

英文名稱	中文名稱	類型	數(shù)量
magic	魔數(shù)	u4	1
minor_version	次版本號	u2	1
major_version	主版本號	u2	1
constant_pool_count	常量池計數(shù)	u2	1
constant_pool	常量池	cp_info	constant_pool_count - 1
access_flags	訪問標(biāo)志	u2	1
this_class	類索引	u2	1
super_class	父類索引	u2	1
interfaces_count	接口計數(shù)	u2	1
interfaces	接口索引集合	u2	interfaces_count
fields_count	字段計數(shù)	u2	1
fields	字段表集合	field_info	fields_count
methods_count	方法計數(shù)	u2	1
methods	方法表集合	method_info	methods_count
attributes_count	屬性計數(shù)	u2	1
attributes	屬性集合	attribute_info	attributes_count

其中，cp_info 、field_info、method_info 和 attribute_info 是更具體的結(jié)構(gòu)，包含了常量池項、字段信息、方法信息和屬性信息的詳細(xì)描述。

無論是無符號數(shù)還是表，當(dāng)需要描述同一類型但數(shù)量不定的多個數(shù)據(jù)時，經(jīng)常會使用一個前置的容量計數(shù)器加若干個連續(xù)的數(shù)據(jù)項的形式，這時候稱這一系列連續(xù)的某一類型的數(shù)據(jù)為某一類型的“集
合”。

示例

package algorithmAnalysis;

public class JVMTest {
    private int m;
    public int inc(){
        return m+1;
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("gaoyubo");
    }
}

1.1魔數(shù)與版本號

Class 文件的頭 8 個字節(jié)是魔數(shù)和版本號，其中頭 4 個字節(jié)是魔數(shù)，也就是 0xCAFEBABE，它可以用來確定這個文件是否為一個能被虛擬機(jī)接受的 Class 文件（這通過擴(kuò)展名來識別文件類型要安全，畢竟擴(kuò)展名是可以隨便修改的）。

后 4 個字節(jié)則是當(dāng)前 Class 文件的版本號，其中第 5、6 個字節(jié)是次版本號，第 7、8 個字節(jié)是主版本號。

1.2常量池

從第 9 個字節(jié)開始，就是常量池的入口，常量池是 Class 文件中：

• 與其他項目關(guān)聯(lián)最多的的數(shù)據(jù)類型；
• 占用 Class 文件空間最大的數(shù)據(jù)項目；
• Class 文件中第一個出現(xiàn)的表類型數(shù)據(jù)項目。

常量池的前兩個字節(jié)，即第 9、10 個字節(jié)，存放著一個 u2 類型的數(shù)據(jù)，用于表示常量池中的常量數(shù)量 cpc（constant_pool_count）。

這個計數(shù)值有一個特殊之處，即它是從 1 開始而不是從 0 開始的。
舉例而言，如果 cpc = 22，那么說明常量池中包含 21 個常量，它們的索引值為 1 到 21。
第 0 項常量被保留為空，以便在某些情況下表示“不引用任何常量池項目”，此時將索引值設(shè)為 0 即可。

常量池中記錄主要包括以下兩大類常量：

• 字面量： 接近于 Java 語言層面的常量概念
  • 文本字符串
  • 聲明為 final 的常量值
• 符號引用：以一組符號來描述所引用的目標(biāo)
  • 被模塊導(dǎo)出或開放的包（Package）
  • 類和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
  • 字段的名稱和描述符（Descriptor）
  • 方法的名稱和描述符
  • 方法句柄和方法類型（Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic）
  • 動態(tài)調(diào)用點動態(tài)常量（Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant）

常量類型	標(biāo)志	描述
CONSTANT_Utf8_info	1	UTF-8 編碼的字符串
CONSTANT_Integer_info	3	整型字面量
CONSTANT_Float_info	4	浮點型字面量
CONSTANT_Long_info	5	長整型字面量
CONSTANT_Double_info	6	雙精度浮點型字面量
CONSTANT_Class_info	7	類或接口的符號引用
CONSTANT_String_info	8	字符串字面量
CONSTANT_Fieldref_info	9	字段的符號引用
CONSTANT_Methodref_info	10	類或接口方法的符號引用
CONSTANT_InterfaceMethodref_info	11	接口方法的符號引用
CONSTANT_NameAndType_info	12	字段或方法的名稱和描述符
CONSTANT_MethodHandle_info	15	方法句柄
CONSTANT_MethodType_info	16	方法類型
CONSTANT_Dynamic_info	17	動態(tài)計數(shù)常量
CONSTANT_InvokeDynamic_info	18	動態(tài)方法調(diào)用點
CONSTANT_Module_info	19	模塊信息
CONSTANT_Package_info	20	包信息

CONSTANT_Class_info

... [ tag=7 ] [ name_index ] ...
... [  1位  ] [     2位    ] ...

• tag 是標(biāo)志位，用來區(qū)分常量類型的，tag = 7 就表示接下來的這個表是一個 CONSTANT_Class_info。
• name_index 是一個索引值，指向常量池中的一個 CONSTANT_Utf8_info 類型的常量所在的索引值，CONSTANT_Utf8_info 類型常量一般被用來描述類的全限定名、方法名和字段名。它的存儲結(jié)構(gòu)如下：

... [ tag=1 ] [ 當(dāng)前常量的長度 len ] [ 常量的符號引用的字符串值 ] ...
... [  1位  ] [        2位        ] [         len位         ] ...

CONSTANT_Fieldref_info

類型	名稱	數(shù)量
ul	tag	1
u2	class_index	1
u2	name_and_type_index	1

• tag: 表示標(biāo)簽，值為CONSTANT_Fieldref（9）。
• class_index: 是一個指向CONSTANT_Class_info表的索引，該表中存儲了字段所屬的類或接口。
• name_and_type_index: 是一個指向CONSTANT_NameAndType_info表的索引，該表中存儲了字段的名稱和描述符。

CONSTANT_Method ref_into

以下是對固定長度的CONSTANT_Methodref_info表使用符號引用來表示類中聲明的方法（不包括接口中的方法）進(jìn)行優(yōu)化和潤色后的描述：固定長度的CONSTANT_Methodref_info表使用符號引用來表示類中聲明的方法（不包括接口中的方法）。

類型	名稱	數(shù)量
ul	tag	1
u2	class_index	1
u2	name_and_type_index	1

• tag（標(biāo)簽）：tag項的值為CONSTANT_Methodref (10)。

• class_index（類索引）：class_index項給出了聲明了被引用方法的類的CONSTANT_Class_info表的索引。class_index所指定的CONSTANT_Class_info表必須表示一個類，而不能是接口。指向接口中聲明的方法的符號引用應(yīng)使用CONSTANT_InterfaceMethodref表。

• name_and_type_index（名稱和類型索引）：name_and_type_index提供了CONSTANT_NameAndType_info表的索引，該表提供了方法的簡單名稱和描述符。如果方法的簡單名稱以"<"（\u003c）符號開頭，則該方法必須是一個實例化方法。它的簡單名稱應(yīng)為""，并且返回類型必須為void。否則，該方法應(yīng)該是一個常規(guī)方法。

CONSTANT_String_info

尚定長度的CONSTANT_String_info表用于存儲文字字符串值，這些值可以表示為java.lang.String類的實例。該表僅存儲文字字符串值，不存儲符號引用。

類型	名稱	數(shù)量
ul	tag	1
u2	string_index	1

• tag: 表示標(biāo)簽，值為CONSTANT_String（8）。
• string_index: 是一個指向CONSTANT_Utf8_info表的索引，該表中存儲了實際的字符串值。通過使用這樣的表形式，可以方便地存儲和引用字符串值，保證了程序的靈活性和可讀性。

如果全部介紹，篇幅太長，這里使用IDEA的jclasslib插件，查看效果如下：

常量表中常量項定義如下：

1.3訪問標(biāo)志

在常量池結(jié)束之后，緊接著的2個字節(jié)代表訪問標(biāo)志（access_flags），這個標(biāo)志用于識別一些類或者接口層次的訪問信息，包括：

這個Class是類還是接口？

• 接口：
  • 是否定義為public類型；
  • 是否定義為abstract類型；
• 類：
  • 是否被聲明為final；

以下為訪問標(biāo)志定義：

標(biāo)志名稱	標(biāo)志值	含義
ACC_PUBLIC	0x0001	類或接口是公共的
ACC_FINAL	0x0010	類不能被繼承；方法不能被重寫
ACC_SUPER	0x0020	當(dāng)用 invokespecial 指令調(diào)用超類構(gòu)造方法時，要求對該方法的調(diào)用使用 super 關(guān)鍵字
ACC_INTERFACE	0x0200	標(biāo)記接口
ACC_ABSTRACT	0x0400	類沒有實現(xiàn)所有的接口方法
ACC_SYNTHETIC	0x1000	標(biāo)記為由編譯器生成的類或方法
ACC_ANNOTATION	0x2000	標(biāo)記為注解類型
ACC_ENUM	0x4000	標(biāo)記為枚舉類型
ACC_MODULE	0x8000	標(biāo)記為模塊

訪問標(biāo)識通常是通過按位或運(yùn)算符（|）進(jìn)行計算的。每個訪問標(biāo)識都對應(yīng)一個二進(jìn)制位，通過將需要的標(biāo)識的二進(jìn)制位進(jìn)行按位或運(yùn)算，可以組合多個標(biāo)識。

上文的JVMTest.java：它的訪問標(biāo)識應(yīng)該是 ACC_PUBLIC 和 ACC_SUPER。以下是分析：

1. ACC_PUBLIC（0x0001）: 這個標(biāo)志表示類是公共的，可以從其他包訪問。
2. ACC_SUPER（0x0020）: 在 Java 5 之前，這個標(biāo)志是為了向后兼容，當(dāng)使用 invokespecial 指令調(diào)用超類構(gòu)造方法時，要求對該方法的調(diào)用使用 super 關(guān)鍵字。

因此，JVMTest 類的訪問標(biāo)識應(yīng)該是 ACC_PUBLIC | ACC_SUPER，即 0x0021。

1.4類索引、父類索引與接口索引

類索引（this_class）和父類索引（super_class）

• 類型：
  • this_class 和 super_class 都是 u2 類型的數(shù)據(jù)。
• 作用：
  • this_class 用于確定這個類的全限定名。
  • super_class 用于確定這個類的父類的全限定名。
• 繼承關(guān)系：
  • 由于 Java 不允許多重繼承，父類索引只有一個。
  • 除了 java.lang.Object 之外，所有 Java 類都有父類。
  • 所以，除了 java.lang.Object 外，所有 Java 類的父類索引都不為 0。
• 索引值：
  • 類索引（this_class）和父類索引（super_class）分別用兩個 u2 類型的索引值表示。
  • 這兩個索引值分別指向一個類型為 CONSTANT_Class_info 的類描述符常量。
• 全限定名查找：
  • 通過 CONSTANT_Class_info 類型的常量中的索引值，可以找到定義在 CONSTANT_Utf8_info 類型的常量中的全限定名字符串。

接口索引集合（interfaces）

• 類型：
  • interfaces 是一組 u2 類型的數(shù)據(jù)的集合。
• 作用：
  • 用于描述這個類實現(xiàn)了哪些接口。
• 排列順序：
  • 接口索引集合中的接口將按 implements 關(guān)鍵字后的接口順序從左到右排列。
• 注意事項：
  • 如果這個 Class 文件表示的是一個接口，則應(yīng)當(dāng)使用 extends 關(guān)鍵字。

通過這三項數(shù)據(jù)，可以建立起類的繼承關(guān)系和接口實現(xiàn)關(guān)系，確定類的層次結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)的接口，如下為全限定名索引查找過程。

class文件中示例

訪問標(biāo)志后面緊跟類索引、父類索引、接口索引，JVMTest.class中表示如下，這里類索引u2值為0x0005，父類索引u2值為0x0006：

使用jclasslib查看u2值對應(yīng)常量如下，可以看出JVMTest類的父類為Object類：

1.5字段表集合

• 描述：
  • field_info 用于描述接口或類中聲明的字段（變量）。
  • 字段包括類級變量和實例級變量，但不包括在方法內(nèi)部聲明的局部變量。
• 字段信息包含的修飾符：
  • 作用域修飾符： 可以是 public、private、protected。
  • 變量類型修飾符： 區(qū)分實例變量和類變量，使用 static 修飾符。
  • 可變性修飾符： 使用 final 修飾符。
  • 并發(fā)可見性修飾符： 使用 volatile 修飾符，表示是否強(qiáng)制從主內(nèi)存讀寫。
  • 序列化修飾符： 使用 transient 修飾符，表示是否可被序列化。
• 字段數(shù)據(jù)類型：
  • 包括基本類型、對象和數(shù)組等。
  • 數(shù)據(jù)類型不固定，通過引用常量池中的常量來描述。
• 字段名稱：
  • 字段名稱不固定，通過引用常量池中的常量來描述。
• 修飾符的表示：
  • 修飾符都是布爾值，要么存在某個修飾符，要么不存在。
  • 使用標(biāo)志位來表示修飾符的存在與否，以便緊湊地表示多個修飾符。

通過 field_info，可以詳細(xì)描述字段的各種屬性和特征，為 Java 類或接口的字段提供了靈活而精確的定義。

因此字段表結(jié)構(gòu)定義如下：

名稱	類型	描述	數(shù)量
access_flags	u2	訪問標(biāo)志	1
name_index	u2	字段名索引	1
descriptor_index	u2	描述符索引	1
attributes_count	u2	屬性計數(shù)	1
attributes	attribute_info	屬性集合	attributes_count

字段表訪問標(biāo)志（access_flags）

其中，access_flags字段訪問標(biāo)志定義如下：

名稱	標(biāo)志值	描述
ACC_PUBLIC	0x0001	公共訪問標(biāo)志
ACC_PRIVATE	0x0002	私有訪問標(biāo)志
ACC_PROTECTED	0x0004	受保護(hù)訪問標(biāo)志
ACC_STATIC	0x0008	靜態(tài)字段標(biāo)志
ACC_FINAL	0x0010	常量字段標(biāo)志
ACC_VOLATILE	0x0040	可變字段標(biāo)志（并發(fā)可見性）
ACC_TRANSIENT	0x0080	短暫字段標(biāo)志（不可序列化）
ACC_SYNTHETIC	0x1000	由編譯器自動產(chǎn)生的標(biāo)志
ACC_ENUM	0x4000	枚舉類型字段標(biāo)志

簡單描述和描述符（name_index和descriptor_index）

跟隨access_flags標(biāo)志的是兩項索引值：name_index和descriptor_index。

• 這兩個索引值緊隨 access_flags 標(biāo)志之后，分別引用常量池中的項。
• name_index 代表字段的簡單名稱，指向常量池中的字符串項。
• descriptor_index 代表字段和方法的描述符，同樣指向常量池中的字符串項。

• 全限定名： 類似于 org/fenixsoft/clazz/TestClass，是類的完整名稱，將包名中的 . 替換為 /。為了在使用時避免混淆，通常在最后加入一個分號 ; 表示全限定名結(jié)束。

• 簡單名稱： 指沒有類型和參數(shù)修飾的方法或字段名稱。例如，inc 和 m 是 inc() 方法和 m 字段的簡單名稱。

• 描述符：

  • 描述符用于描述字段的數(shù)據(jù)類型、方法的參數(shù)列表（包括數(shù)量、類型和順序）以及返回值。
  • 基本數(shù)據(jù)類型（byte、char、double、float、int、long、short、boolean）以及代表無返回值的 void 類型都用一個大寫字符表示。
  • 對象類型則用字符 L 加對象的全限定名表示。

如下為描述符的定義

標(biāo)識字符	含義
B	byte
C	char
D	double
F	float
I	int
J	long
S	short
Z	boolean
V	void
L	對象類型（類或接口），如Ljava/lang/Object
[	數(shù)組類型，可以嵌套，java.lang.String[][]類型的二維數(shù)組將被記錄成[[Ljava/lang/String 一個整型數(shù)組int[]將被記錄成[I

方法描述符按照先參數(shù)列表、后返回值的順序描述，參數(shù)列表按照參數(shù)的嚴(yán)格順序放在一組小括號 () 之內(nèi)。

• 無參數(shù)、無返回值的方法（如 void inc()）：

  • 描述符為 ()V。

• 有返回值的方法（如 java.lang.String toString()）：

  • 描述符為 ()Ljava/lang/String;。
  • 參數(shù)列表為空，返回值為對象類型（Ljava/lang/String;）。

• 有多個參數(shù)和返回值的方法（如 int indexOf(char[] source, int sourceOffset, int sourceCount, char[] target, int targetOffset, int targetCount, int fromIndex)）：

  • 描述符為 ([CII[CIII)I。
  • 參數(shù)列表：
    • ([C：char 數(shù)組類型
    • II：兩個 int 類型
    • [C：另一個 char 數(shù)組類型
    • III：三個 int 類型
  • 返回值：I 表示 int 類型。

屬性表

字段表中的固定數(shù)據(jù)項一直到 descriptor_index 為止，而在 descriptor_index 之后，跟隨著一個屬性表集合。這個屬性表集合用于存儲一些額外的信息，允許字段表附加描述零至多項的額外信息。

1. 屬性表計數(shù)器：
   • 用于記錄附加到字段上的屬性個數(shù)。
   • 計數(shù)器的值決定了接下來有多少個屬性項。
2. 屬性表中可能的額外信息：
   • ConstantValue 屬性：
     • 如果字段被聲明為 final static int m = 123;，則可能存在一項名稱為 ConstantValue 的屬性。
     • 這個屬性的值指向常量 123。
3. 其他屬性項：
   • 根據(jù)字段的具體聲明，可能存在其他類型的屬性，如訪問控制等。

通過屬性表集合，字段表可以攜帶額外的信息，例如常量值、訪問控制等，以滿足不同字段的需求。在本例中，由于字段 m 的聲明為 final static int m = 123;，因此可能包含 ConstantValue 屬性，指向常量 123。

字段表集合的特性

1. 不包含從父類或父接口中繼承的字段：
   • 字段表集合中不會列出從父類或者父接口中繼承而來的字段。
   • 繼承的字段在子類的字段表中不會重復(fù)出現(xiàn)，因為已經(jīng)在父類的字段表中定義。
2. 可能包含編譯器生成的字段：
   • 在某些情況下，編譯器會自動添加一些字段，例如在內(nèi)部類中為了保持對外部類的訪問性，可能會自動添加指向外部類實例的字段。
3. 字段重名的合法性：
   • 在 Java 語言中，字段是無法重載的，即兩個字段的數(shù)據(jù)類型、修飾符不管是否相同，都必須使用不同的名稱。
   • 但在 Class 文件格式中，只要兩個字段的描述符不是完全相同，字段重名是合法的。描述符不同即使字段名稱相同也是合法的。

class文件中示例

在class文件中，表示如下，按照順序分別是fields_count，access_flags，name_index，descriptor_index：

0x0001：說明這個類只有一個字段表數(shù)據(jù)

0x0002：代表private修飾符的ACC_PRIVATE 標(biāo)志位為真（ACC_PRIVATE標(biāo)志的值為0x0002）

0x0008：字面量為m，在常量池中對應(yīng)內(nèi)容如下圖

0x0009：字面量I，在常量池中對應(yīng)內(nèi)容如下圖

與類訪問標(biāo)志相同，字段訪問標(biāo)志計算字段訪問標(biāo)志的值也是通過按位或（|）操作將各個標(biāo)志的值組合而成的。

例如，如果一個字段是 public 和 static 的，那么其訪問標(biāo)志的值為 ACC_PUBLIC | ACC_STATIC

如果有兩個字段，那么這個順序就會重復(fù)兩次，依次表示兩個字段的描述信息。

1.6方法表集合

Class文件存儲 格式中對方法的描述與對字段的描述采用了幾乎完全一致的方式，方法表的結(jié)構(gòu)如同字段表一樣。

依次包括訪問標(biāo)志（access_flags）、名稱索引（name_index）、描述符索引（descriptor_index）、屬性表集合（attributes）幾項

因此方法表表結(jié)構(gòu)定義如下：

名稱	類型	描述	數(shù)量
access_flags	u2	訪問標(biāo)志	1
name_index	u2	方法名索引	1
descriptor_index	u2	描述符索引	1
attributes_count	u2	屬性計數(shù)	1
attributes	attribute_info	屬性集合	attributes_count

方法的定義可以通過訪問標(biāo)志、名稱索引、描述符索引來表達(dá)清楚，但方法內(nèi)部的Java代碼去哪里了？

方法內(nèi)的Java代碼在經(jīng)過Javac編譯器編譯成字節(jié)碼指令后，實際上存放在方法屬性表集合中的一個名為“Code”的屬性里面。屬性表作為Class文件格式中最具擴(kuò)展性的一種數(shù)據(jù)項目，將在后續(xù)介紹。

方法表的訪問標(biāo)志

方法表的訪問標(biāo)志中不包含 ACC_VOLATILE 和 ACC_TRANSIENT 標(biāo)志，因為 volatile 和 transient 關(guān)鍵字不能修飾方法。

相反，方法表的訪問標(biāo)志中增加了以下標(biāo)志，因為這些關(guān)鍵字可以修飾方法：

• ACC_SYNCHRONIZED：用于修飾同步方法，表示該方法是同步方法。
• ACC_NATIVE：表示該方法用其他語言（如 C）實現(xiàn)，由本地方法庫提供。
• ACC_STRICTFP：表示該方法遵循 IEEE 754 浮點運(yùn)算規(guī)范。
• ACC_ABSTRACT：表示該方法是抽象方法，沒有具體的實現(xiàn)。

以下是方法表的訪問標(biāo)志及其取值：

標(biāo)志名稱	標(biāo)志值	描述
ACC_PUBLIC	0x0001	公共訪問標(biāo)志
ACC_PRIVATE	0x0002	私有訪問標(biāo)志
ACC_PROTECTED	0x0004	受保護(hù)訪問標(biāo)志
ACC_STATIC	0x0008	靜態(tài)方法標(biāo)志
ACC_FINAL	0x0010	常量方法標(biāo)志
ACC_SYNCHRONIZED	0x0020	同步方法標(biāo)志
ACC_BRIDGE	0x0040	橋接方法標(biāo)志
ACC_VARARGS	0x0080	可變參數(shù)方法標(biāo)志
ACC_NATIVE	0x0100	本地方法標(biāo)志
ACC_ABSTRACT	0x0400	抽象方法標(biāo)志
ACC_STRICTFP	0x0800	嚴(yán)格浮點標(biāo)志
ACC_SYNTHETIC	0x1000	由編譯器自動生成的標(biāo)志

class文件中示例

按照順序分別為：method_count,access_flags,name_index,descriptor_index,attributes_count,attribute_name_index

0x0003（method_count）：說明這個類有三個方法，編譯器自動添加了<init>方法，即實例構(gòu)造器，如下：

0x0001（access_flags）：只有ACC_PUBLIC標(biāo)志為真

0x000A（name_index）：字面量索引位10：字面量為<init>

0x000B（descriptor_index）:字面量索引位11，字面量()V，代表void返回類型，參數(shù)列表為空

0x0001(attributes_count)：表示此方法的屬性表集合有1項屬性

0x000C(attribute_name_index)：屬性名稱的索引值為0x000C，對應(yīng)常量為“Code”

字段表集合相對應(yīng)地，如果父類方法在子類中沒有被重寫（Override），方法表集合中就不會出 現(xiàn)來自父類的方法信息。
但同樣地，有可能會出現(xiàn)由編譯器自動添加的方法，最常見的便是類構(gòu)造器<clinit>()方法和實例構(gòu)造器<init>()方法

在Java語言中，要重載一個方法，除了要與原方法具有相同的簡單名稱之外，還要求必須擁有一個與原方法不同的特征簽名

(Java代碼的方法特征簽名只包括方法名稱、參數(shù)順序及參數(shù)類型，而字節(jié)碼的特征簽名還包括方法返回值以及受查異常表)。

由于返回值不包含在特征簽名中，因此無法僅僅通過返回值的不同來對一個已有方法進(jìn)行重載,如下圖。

然而，在Class文件格式中，特征簽名的范圍明顯更大。只要兩個方法的描述符不完全相同，它們就可以在同一個Class文件中合法共存。具體來說，如果兩個方法具有相同的名稱和特征簽名，但返回值不同，它們?nèi)匀豢梢栽谕粋€Class文件中存在。

1.7屬性表集合

屬性表（attribute_info）在前面的講解之中已經(jīng)出現(xiàn)過數(shù)次，Class文件、字段表、方法表都可以 攜帶自己的屬性表集合，以描述某些場景專有的信息。

在《Java虛擬機(jī)規(guī)范》的Java SE 12版本中，預(yù)定義屬性已經(jīng)增加到29項，如下：

對于每一個屬性，它的名稱都要從常量池中引用一個CONSTANT_Utf8_info類型的常量來表示， 而屬性值的結(jié)構(gòu)則是完全自定義的，只需要通過一個u4的長度屬性去說明屬性值所占用的位數(shù)即可。一個符合規(guī)則的屬性表應(yīng)該滿足下表結(jié)構(gòu)。

名稱	類型	數(shù)量
attribute_name_index	u2	1
attribute_length	u4	1
info	u1	attribute_count

Code屬性

在Java程序中，方法體內(nèi)的代碼在經(jīng)過Javac編譯器處理之后，最終被轉(zhuǎn)化為字節(jié)碼指令，并存儲在方法表的屬性集合中的Code屬性內(nèi)。需要注意的是，并非所有的方法表都必須包含Code屬性。例如，在接口或抽象類中的方法就不存在Code屬性。

屬性名稱	類型	描述	數(shù)量
attribute_name_index	u2	指向UTF-8常量的索引，表示屬性名稱(Code)	1
max_stack	u2	操作數(shù)棧的最大深度	1
max_locals	u2	局部變量表的最大容量	1
code_length	u4	字節(jié)碼指令的長度	1
code	u1[code_length]	存儲實際字節(jié)碼指令的數(shù)組	code_length
exception_table_length	u2	異常處理表的長度	1
exception_table	exception_info	異常處理表	0或多
attributes_count	u2	Code屬性的屬性數(shù)量	1
attributes	attribute_info[attributes_count]	Code屬性的屬性集合	0或多

• max_stack： 操作數(shù)棧的最大深度，在方法執(zhí)行的任意時刻，操作數(shù)棧都不會超過這個深度。
• max_locals： 局部變量表所需的存儲空間，以變量槽為單位，變量槽是虛擬機(jī)為局部變量分配內(nèi)存的最小單位。
• code_length： 字節(jié)碼指令的長度，限制為不超過65535字節(jié)。
• code： 存儲實際字節(jié)碼指令的一系列字節(jié)流。
• exception_table_length： 異常處理表的長度，記錄方法中的異常處理信息。
• exception_table： 異常處理表，包括起始字節(jié)碼指令位置、結(jié)束字節(jié)碼指令位置、異常處理程序入口位置和捕獲異常的類索引。
• attributes_count： Code屬性的屬性數(shù)量，用于存儲額外的屬性信息。
• attributes： Code屬性的屬性集合，可能包含一些額外的信息，如調(diào)試信息等。

class文件中示例

屬性表的attribute_name_index后的00 00 00 2F表示屬性值的長度。在這里，00 00 00 2F表示長度為47個字節(jié)。它告訴虛擬機(jī)在讀取屬性值時要讀取47個字節(jié)的內(nèi)容。如果前面的0x000C的字面量Code虛擬機(jī)不認(rèn)識，那么就可以跳過這些長度。

《Java虛擬機(jī)規(guī)范》允許只要不與已有屬性名重復(fù)，任何人實現(xiàn)的編譯器都可以向?qū)傩员碇袑懭胱约憾x的屬性信息，Java虛擬機(jī)運(yùn)行時會忽略掉它不認(rèn)識的屬性。

按順序分別為：max_stack，max_locals，code_length，code

0x0001: 操作數(shù)棧的最大深度為1

0x0001: 本地變量表容量為1

0x00000005: 字節(jié)碼區(qū)域 所占空間的長度為0x0005。虛擬機(jī)讀取到字節(jié)碼區(qū)域的長度后，按照順序依次讀入緊隨的5個字節(jié)，并
根據(jù)字節(jié)碼指令表翻譯出所對應(yīng)的字節(jié)碼指令

翻譯“2A B7000A B1”的過程為：

1. 讀入 2A，查表得到 aload_0 指令，作用是將第 0 個變量槽中的 reference 類型的本地變量推送到操作數(shù)棧頂。
2. 讀入 B7，查表得到 invokespecial 指令，該指令以棧頂?shù)?reference 類型的數(shù)據(jù)所指向的對象作為方法接收者，調(diào)用此對象的實例構(gòu)造器方法、private 方法或者它的父類的方法。該方法有一個 u2 類型的參數(shù)，指向常量池中的一個 CONSTANT_Methodref_info 類型常量，即此方法的符號引用。
3. 讀入 000A，這是 invokespecial 指令的參數(shù)，代表一個符號引用。查常量池得到 0x000A 對應(yīng)的常量，表示實例構(gòu)造器 <init>() 方法的符號引用。
4. 讀入 B1，查表得到 return 指令，含義是從方法返回，并且返回值為 void。執(zhí)行這條指令后，當(dāng)前方法正常結(jié)束。

這里查的表是 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中定義的字節(jié)碼指令表。字節(jié)碼指令表包含了每個操作碼（opcode）對應(yīng)的具體指令和操作。

部分其他指令如下：

指令	助記符	描述
0x03	iconst_2	將整數(shù)常量值 2 推送到操作數(shù)棧頂
0x10	bipush	將一個字節(jié)推送到棧頂，作為整數(shù)使用
0x60	iadd	將棧頂兩個整數(shù)相加
0x2D	fsub	將棧頂兩個浮點數(shù)相減
0xC7	ifnonnull	如果引用不為 null，則跳轉(zhuǎn)

異常表

在字節(jié)碼指令之后的是這個方法的顯式異常處理表（下文簡稱“異常表”）集合，異常表對于Code 屬性來說并不是必須存在的。

異常表的格式如下：

字段名	數(shù)據(jù)類型	描述
start_pc	u2	起始字節(jié)碼行號
end_pc	u2	結(jié)束字節(jié)碼行號（不含）
handler_pc	u2	異常處理代碼的字節(jié)碼行號
catch_type	u2	指向一個CONSTANT_Class_info型常量的索引，表示捕獲的異常類型。為0時表示捕獲所有異常。

演示：

public int inc() {
    int x;
    try {
        x = 1;
        return x;
    } catch (Exception e) {
        x = 2;
        return x;
    } finally {
        x = 3;
    }
}

編譯后的字節(jié)碼和異常表：

public int inc(); 
Code: 
  Stack=1, Locals=5, Args_size=1 
  0: iconst_1      // 將整數(shù)1推送到棧頂，try塊中的x=1
  1: istore_1      // 將棧頂?shù)闹荡鎯Φ奖镜刈兞勘淼淖兞坎?中
  2: iload_1       // 將本地變量表中的變量槽1的值推送到棧頂
  3: istore 4      // 將棧頂?shù)闹荡鎯Φ奖镜刈兞勘淼淖兞坎?中
  5: iconst_3      // 將整數(shù)3推送到棧頂，finally塊中的x=3
  6: istore_1      // 將棧頂?shù)闹荡鎯Φ奖镜刈兞勘淼淖兞坎?中
  7: iload 4       // 將本地變量表中的變量槽4的值推送到棧頂
  9: ireturn       // 從方法返回，返回值為棧頂?shù)闹?
10: astore_2       // 將棧頂?shù)漠惓ο蟠鎯Φ奖镜刈兞勘淼淖兞坎?中
11: iconst_2       // 將整數(shù)2推送到棧頂，catch塊中的x=2
12: istore_1       // 將棧頂?shù)闹荡鎯Φ奖镜刈兞勘淼淖兞坎?中
13: iload_1        // 將本地變量表中的變量槽1的值推送到棧頂
14: istore 4       // 將棧頂?shù)闹荡鎯Φ奖镜刈兞勘淼淖兞坎?中
16: iconst_3       // 將整數(shù)3推送到棧頂，finally塊中的x=3
17: istore_1       // 將棧頂?shù)闹荡鎯Φ奖镜刈兞勘淼淖兞坎?中
18: iload 4        // 將本地變量表中的變量槽4的值推送到棧頂
20: ireturn        // 從方法返回，返回值為棧頂?shù)闹?
21: astore_3       // 將棧頂?shù)漠惓ο蟠鎯Φ奖镜刈兞勘淼淖兞坎?中
22: iconst_3       // 將整數(shù)3推送到棧頂，finally塊中的x=3
23: istore_1       // 將棧頂?shù)闹荡鎯Φ奖镜刈兞勘淼淖兞坎?中
24: aload_3        // 將本地變量表中的變量槽3的值（異常對象）推送到棧頂
25: athrow         // 拋出棧頂?shù)漠惓?
Exception table: 
  from    to  target type
     0     0    10   Class java/lang/Exception
     5     5    16   any
    10    21    21   Class java/lang/Exception

在這段字節(jié)碼中，前五行主要是try塊的內(nèi)容。首先，整數(shù)1被賦給變量x，然后通過istore_1指令將x的值保存在第一個本地變量槽（slot）中。接下來，將3推送到操作數(shù)棧，再通過istore指令將其存儲在第四個本地變量槽中，這個槽被稱為returnValue。

接下來的iload_1指令將第一個本地變量槽中的x值加載到操作數(shù)棧頂，然后通過ireturn指令返回這個值。因此，如果try塊中沒有異常，方法將返回1。

在異常情況下，程序?qū)⑻D(zhuǎn)到第10行（catch塊）。異常處理塊首先將2賦給變量x，然后通過istore_1指令將x的值保存在第一個本地變量槽中。接著，將之前保存在returnValue中的值（即1）加載到操作數(shù)棧頂，然后通過ireturn指令返回這個值。因此，如果發(fā)生異常，方法將返回2。

最后，無論是否發(fā)生異常，程序都會執(zhí)行finally塊（第21行開始）。在finally塊中，將3賦給變量x，并使用athrow指令拋出之前發(fā)生的異常。雖然這里沒有具體的異常類型，但finally塊的主要目的是在方法返回前執(zhí)行清理工作。

Exceptions屬性

這里的Exceptions屬性是在方法表中與Code屬性平級的一項屬性，不要與前面剛剛講解完的異常表產(chǎn)生混淆。

Exceptions屬性的作用是列舉出方法中可能拋出的受查異常（Checked Excepitons），也就是方法描述時在throws關(guān)鍵字后面列舉的異常。

字段名	類型	描述
attribute_name_index	u2	指向常量池中CONSTANT_Utf8_info類型的異常表屬性名稱的索引
attribute_length	u4	屬性值的長度，不包括attribute_name_index和attribute_length自身的長度
number_of_exceptions	u2	異常表中的異常個數(shù)
exception_index_table	u2 數(shù)組	每個元素都是指向常量池中CONSTANT_Class_info類型的索引，表示受檢異常的類型

LineNumberTable 屬性

LineNumberTable屬性用于描述Java源碼行號與字節(jié)碼行號（字節(jié)碼的偏移量）之間的對應(yīng)關(guān)系。雖然它不是運(yùn)行時必需的屬性，但默認(rèn)會生成到Class文件中。通過使用Javac中的-g：none或-g：lines選項，可以選擇是否生成這項信息。如果選擇不生成LineNumberTable屬性，對程序運(yùn)行的主要影響之一是在拋出異常時，堆棧跟蹤中將不會顯示出錯的行號。此外，調(diào)試程序時也無法按照源碼行來設(shè)置斷點。

在調(diào)試和排查問題時，LineNumberTable屬性是非常有用的，因為它建立了Java源代碼和編譯后的字節(jié)碼之間的映射。

字段名	類型	描述
attribute_name_index	u2	指向常量池中CONSTANT_Utf8_info類型的屬性名稱 "LineNumberTable" 的索引
attribute_length	u4	屬性值的長度，不包括 attribute_name_index 和 attribute_length 自身的長度
line_number_table	表	包含多個行號項的表，每個行號項包括 start_pc 和 line_number 字段，表示字節(jié)碼行號和源代碼行號的映射關(guān)系

LocalVariableTable 屬性

LocalVariableTable屬性用于描述棧幀中局部變量表的變量與Java源碼中定義的變量之間的關(guān)系。雖然它不是運(yùn)行時必需的屬性，但默認(rèn)會生成到Class文件中。可以使用Javac中的-g：none或-g：vars選項來選擇是否生成這項信息。如果沒有生成這項屬性，最大的影響之一是當(dāng)其他人引用這個方法時，所有的參數(shù)名稱都將會丟失。例如，IDE將會使用諸如arg0、arg1之類的占位符代替原有的參數(shù)名。這對程序運(yùn)行沒有影響，但會對代碼編寫帶來較大不便，而且在調(diào)試期間無法根據(jù)參數(shù)名稱從上下文中獲取參數(shù)值。

LocalVariableTable屬性對于理解程序的執(zhí)行過程以及在調(diào)試中獲取更多有關(guān)局部變量的信息非常有用。

字段名	類型	描述
attribute_name_index	u2	指向常量池中CONSTANT_Utf8_info類型的屬性名稱 "LocalVariableTable" 的索引
attribute_length	u4	屬性值的長度，不包括 attribute_name_index 和 attribute_length 自身的長度
local_variable_table	表	包含多個局部變量項的表，每個局部變量項包括 start_pc、length、name_index、descriptor_index 和 index 字段，表示局部變量在字節(jié)碼中的范圍、名稱、描述符和索引

SourceFile 屬性

SourceFile屬性用于記錄生成這個Class文件的源碼文件名稱。這個屬性是可選的，可以使用Javac的-g：none或-g：source選項來關(guān)閉或要求生成這項信息。在大多數(shù)情況下，Java類的類名和文件名是一致的，但是在一些特殊情況（例如內(nèi)部類）下可能存在例外情況。如果不生成這項屬性，當(dāng)拋出異常時，堆棧中將不會顯示出錯代碼所屬的文件名。這個屬性是一個定長的屬性。

ourceFile屬性有助于在調(diào)試時追蹤代碼，特別是在涉及多個源文件的項目中。

字段名	類型	描述
attribute_name_index	u2	指向常量池中CONSTANT_Utf8_info類型的屬性名稱 "SourceFile" 的索引
attribute_length	u4	屬性值的長度，不包括 attribute_name_index 和 attribute_length 自身的長度
sourcefile_index	u2	指向常量池中CONSTANT_Utf8_info類型的源文件名的索引

SourceDebugExtension 屬性

SourceDebugExtension屬性是為了存儲額外的代碼調(diào)試信息，特別是在涉及非Java語言編寫、但需要編譯成字節(jié)碼并在Java虛擬機(jī)中運(yùn)行的程序時。這個屬性的數(shù)據(jù)項是指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，該常量的值是源代碼文件的調(diào)試信息。

在JDK 5時，引入了SourceDebugExtension屬性，用于存儲JSR 45提案所定義的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試信息。這對于需要在Java虛擬機(jī)中運(yùn)行的非Java語言編寫的程序提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試機(jī)制。典型的場景是在進(jìn)行JSP文件調(diào)試時，由于無法通過Java堆棧來定位到JSP文件的行號，可以使用SourceDebugExtension屬性來存儲額外的調(diào)試信息，使程序員能夠更快速地從異常堆棧中定位到原始JSP中出現(xiàn)問題的行號。

這個屬性在一些特定的情況下很有用，但在一般的Java程序開發(fā)中，由于使用Java語言編寫，通常不需要額外的非Java調(diào)試信息。因此，對于大多數(shù)Java應(yīng)用，可能并不常見。

字段名	類型	描述
attribute_name_index	u2	指向常量池中CONSTANT_Utf8_info類型的屬性名稱 "SourceDebugExtension" 的索引
attribute_length	u4	屬性值的長度，不包括 attribute_name_index 和 attribute_length 自身的長度
debug_extension	字節(jié)數(shù)組	包含調(diào)試信息的字節(jié)數(shù)組

還有很多屬性如：不再贅述

• AnnotationDefault
• BootstrapMethods
• MethodParameters
  ...

二、字節(jié)碼指令

在Java虛擬機(jī)的指令集中，指令可以分為多個大的類別，以下是其中一些主要的指令類別：

1. 加載和存儲指令（Load and Store Instructions）:
   • aaload, aastore, baload, bastore, caload, castore, daload, dastore, faload, fastore, iaload, iastore, laload, lastore, saload, sastore, 等。
2. 操作數(shù)棧管理指令（Stack Management Instructions）:
   • pop, pop2, dup, dup_x1, dup_x2, dup2, dup2_x1, dup2_x2, swap, 等。
3. 數(shù)學(xué)運(yùn)算指令（Arithmetic Instructions）:
   • iadd, isub, imul, idiv, irem, iinc, ladd, lsub, lmul, ldiv, lrem, fadd, fsub, fmul, fdiv, frem, dadd, dsub, dmul, ddiv, drem, 等。
4. 類型轉(zhuǎn)換指令（Type Conversion Instructions）:
   • i2l, i2f, i2d, l2i, l2f, l2d, f2i, f2l, f2d, d2i, d2l, d2f, i2b, i2c, i2s, 等。
5. 比較指令（Comparison Instructions）:
   • lcmp, fcmpl, fcmpg, dcmpl, dcmpg, ifcmp<cond>, <cond>, if<cond>, 等。
6. 控制轉(zhuǎn)移指令（Control Transfer Instructions）:
   • goto, tableswitch, lookupswitch, ireturn, lreturn, freturn, dreturn, areturn, return, athrow, jsr, ret, if<cond>, 等。
7. 引用類和對象的指令（Reference Instructions）:
   • new, newarray, anewarray, multianewarray, checkcast, instanceof, getfield, putfield, getstatic, putstatic, 等。
8. 方法調(diào)用和返回指令（Method Invocation and Return Instructions）:
   • invokevirtual, invokespecial, invokestatic, invokeinterface, invokedynamic, return, areturn, ireturn, lreturn, freturn, dreturn, 等。
9. 異常處理指令（Exception Handling Instructions）:
   • athrow, monitorenter, monitorexit, try-catch-finally 塊相關(guān)的指令。

這些指令構(gòu)成了Java虛擬機(jī)的指令集，用于執(zhí)行Java字節(jié)碼。每個指令都有特定的操作碼和操作數(shù)，用于在操作數(shù)棧上執(zhí)行相應(yīng)的操作

字節(jié)碼指令集在Java虛擬機(jī)中具有獨(dú)特的特點和一些限制：

1. 操作碼長度限制： 指令集的操作碼被限制為一個字節(jié)，范圍為0～255，這意味著指令集的操作碼總數(shù)不能超過256條。這種設(shè)計有助于簡化指令的編碼和解碼過程。
2. 操作數(shù)長度對齊： Class文件格式中放棄了編譯后代碼的操作數(shù)長度對齊。這意味著虛擬機(jī)在處理超過一個字節(jié)的數(shù)據(jù)時，需要在運(yùn)行時從字節(jié)中重建具體數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。例如，將一個16位長度的無符號整數(shù)存儲在兩個無符號字節(jié)中，需要使用表達(dá)式 (byte1 << 8) | byte2 進(jìn)行重建。

這些設(shè)計選擇有一些優(yōu)勢和劣勢：

優(yōu)勢：

• 緊湊性： 一個字節(jié)的操作碼和簡化的操作數(shù)對于Class文件的緊湊性是有利的，減小了字節(jié)碼文件的大小。
• 解析速度： 簡單的指令格式和有限的操作碼范圍有助于提高字節(jié)碼的解析速度。

劣勢：

• 指令數(shù)限制： 256條操作碼的限制可能限制了指令集的豐富性，盡管在實踐中這仍然足夠支持豐富的語義。
• 運(yùn)行時處理成本： 虛擬機(jī)在處理較大的數(shù)據(jù)時需要進(jìn)行運(yùn)行時的計算，可能增加了一些運(yùn)行時的成本。

總體而言，這些設(shè)計選擇是為了在保持緊湊性和解析速度的同時，提供足夠的靈活性來支持Java虛擬機(jī)的執(zhí)行需求。

如果不考慮異常處理的話，那Java虛擬機(jī)的解釋器可以使用下面這段偽代碼作為最基本的執(zhí)行模 型來理解，這個執(zhí)行模型雖然很簡單，但依然可以有效正確地工作

do { 
    自動計算PC寄存器的值加1; 
    根據(jù)PC寄存器指示的位置，從字節(jié)碼流中取出操作碼; 
    if (字節(jié)碼存在操作數(shù)) 
    	從字節(jié)碼流中取出操作數(shù); 
    	執(zhí)行操作碼所定義的操作;
} while (字節(jié)碼流長度 > 0);

2.1字節(jié)碼與數(shù)據(jù)類型

如下列舉了Java虛擬機(jī)所支持的與數(shù)據(jù)類型相關(guān)的字節(jié)碼指令，通過使用數(shù)據(jù)類型列所代表的特殊字符替換opcode列的指令模板中的T，就可以得到一個具體的字節(jié)碼指令。

如果在表中指令模板與數(shù)據(jù)類型兩列共同確定的格為空，則說明虛擬機(jī)不支持對這種數(shù)據(jù)類型執(zhí)行這項操作。例如load指令有操作int類型的iload，但是沒有操作byte類型的同類指令。

Java虛擬機(jī)的字節(jié)碼指令集并沒有提供專門用于處理整數(shù)類型`byte`、`char`和`short`以及布爾類型(`boolean`)的指令。相反，編譯器在編譯期或運(yùn)行期進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，將這些較小的整數(shù)類型轉(zhuǎn)換為`int`類型，然后使用`int`類型的字節(jié)碼指令來進(jìn)行操作。

具體而言：

• 帶符號擴(kuò)展（Sign-Extend）： 對于byte和short類型，編譯器會進(jìn)行帶符號擴(kuò)展，將它們轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的int類型。這意味著，如果原始值是負(fù)數(shù)，它會被符號擴(kuò)展為32位帶符號整數(shù)。
• 零位擴(kuò)展（Zero-Extend）： 對于boolean和char類型，同樣會進(jìn)行零位擴(kuò)展，將它們轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的int類型。這意味著，無論原始值是什么，都會被零位擴(kuò)展為32位無符號整數(shù)。

在處理boolean、byte、short和char類型的數(shù)組時，也會使用對應(yīng)的int類型的字節(jié)碼指令來進(jìn)行操作。因此，實際上，大多數(shù)對于這些較小整數(shù)類型的操作，都是使用int類型作為運(yùn)算類型來進(jìn)行的。這種設(shè)計簡化了字節(jié)碼指令集，減少了復(fù)雜性。

2.2加載和存儲指令

加載和存儲指令在Java虛擬機(jī)中用于在棧幀的局部變量表和操作數(shù)棧之間傳輸數(shù)據(jù)。這些指令包括：

• 將一個局部變量加載到操作數(shù)棧：

  • iload：將int類型的局部變量加載到操作數(shù)棧。
  • iload_<n>：將int類型的局部變量加載到操作數(shù)棧，其中 <n> 表示局部變量索引，可以是0到3的數(shù)字。

  （類似的指令存在于其他數(shù)據(jù)類型，如lload、fload、dload、aload）

• 將一個數(shù)值從操作數(shù)棧存儲到局部變量表：

  • istore：將int類型的數(shù)值存儲到局部變量表。
  • istore_<n>：將int類型的數(shù)值存儲到局部變量表，其中 <n> 表示局部變量索引，可以是0到3的數(shù)字。

  （類似的指令存在于其他數(shù)據(jù)類型，如lstore、fstore、dstore、astore）

• 將一個常量加載到操作數(shù)棧：

  • bipush：將單字節(jié)常量（-128到127之間的整數(shù)）推送到操作數(shù)棧。
  • sipush：將短整型常量（-32768到32767之間的整數(shù)）推送到操作數(shù)棧。
  • ldc：將int、float或String類型的常量值從常量池中推送到操作數(shù)棧。
  • ldc_w：與ldc類似，但用于更大的常量池索引。

  （其他指令用于加載更大的常量，如ldc2_w、aconst_null、iconst_m1、iconst_<i>、lconst_<l>、fconst_<f>、dconst_<d>）

• 擴(kuò)充局部變量表的訪問索引的指令：

  • wide：用于擴(kuò)大對局部變量表的訪問索引，通常與其他指令一起使用。

一些指令的助記符以尖括號結(jié)尾，表示這是一組指令的特殊形式。例如，iload_<n> 表示了一組特殊的iload指令，其中 <n> 可以是0到3的數(shù)字。這些特殊指令省略了顯式的操作數(shù)，因為操作數(shù)隱含在指令中。這些指令的語義與原生的通用指令完全一致。

2.3運(yùn)算指令

Java虛擬機(jī)的算術(shù)指令用于對兩個操作數(shù)棧上的值進(jìn)行特定運(yùn)算，并將結(jié)果重新存入操作數(shù)棧頂。主要分為對整型數(shù)據(jù)和浮點型數(shù)據(jù)的運(yùn)算，其中涵蓋了加法、減法、乘法、除法、求余、取反、位移、按位或、按位與、按位異或、局部變量自增、比較等操作。

以下是具體的算術(shù)指令列表：

整數(shù)運(yùn)算指令（對應(yīng)不同數(shù)據(jù)類型，如int、long）：

• 加法指令：iadd、ladd
• 減法指令：isub、lsub
• 乘法指令：imul、lmul
• 除法指令：idiv、ldiv
• 求余指令：irem、lrem
• 取反指令：ineg、lneg
• 位移指令：ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr
• 按位或指令：ior、lor
• 按位與指令：iand、land
• 按位異或指令：ixor、lxor
• 局部變量自增指令：iinc
• 比較指令：dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp

浮點數(shù)運(yùn)算指令（對應(yīng)不同數(shù)據(jù)類型，如float、double）：

• 加法指令：fadd、dadd
• 減法指令：fsub、dsub
• 乘法指令：fmul、dmul
• 除法指令：fdiv、ddiv
• 求余指令：frem、drem
• 取反指令：fneg、dneg

在整型數(shù)據(jù)溢出的情況下，虛擬機(jī)規(guī)范并未定義具體的結(jié)果，只有在除法和求余指令中當(dāng)除數(shù)為零時會拋出ArithmeticException異常。對于浮點數(shù)運(yùn)算，虛擬機(jī)要求遵循IEEE 754規(guī)范，包括對非正規(guī)浮點數(shù)值和逐級下溢的運(yùn)算規(guī)則。

在對long類型數(shù)值進(jìn)行比較時，采用帶符號的比較方式；而對浮點數(shù)值進(jìn)行比較時，采用IEEE 754規(guī)范中的無信號比較方式。

如果某個操作結(jié)果沒有明確的數(shù)學(xué)定義的話， 將會使用NaN（Not a Number）值來表示。所有使用NaN值作為操作數(shù)的算術(shù)操作，結(jié)果都會返回NaN。

這些規(guī)定確保了在Java虛擬機(jī)中進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算時，結(jié)果是符合預(yù)期并具有可靠性的。

2.4類型轉(zhuǎn)換指令

類型轉(zhuǎn)換指令用于將兩種不同的數(shù)值類型相互轉(zhuǎn)換，主要分為寬化類型轉(zhuǎn)換（Widening Numeric Conversion）和窄化類型轉(zhuǎn)換（Narrowing Numeric Conversion）兩種。

Java虛擬機(jī)直接支持寬化類型轉(zhuǎn)換，即將小范圍類型向大范圍類型進(jìn)行安全轉(zhuǎn)換。例如：

• 將int類型轉(zhuǎn)換為long、float或double類型
• 將long類型轉(zhuǎn)換為float或double類型
• 將float類型轉(zhuǎn)換為double類型

窄化類型轉(zhuǎn)換必須顯式地使用轉(zhuǎn)換指令完成，包括：

• i2b：將int類型轉(zhuǎn)換為byte類型
• i2c：將int類型轉(zhuǎn)換為char類型
• i2s：將int類型轉(zhuǎn)換為short類型
• l2i：將long類型轉(zhuǎn)換為int類型
• f2i：將float類型轉(zhuǎn)換為int類型
• f2l：將float類型轉(zhuǎn)換為long類型
• d2i：將double類型轉(zhuǎn)換為int類型
• d2l：將double類型轉(zhuǎn)換為long類型
• d2f：將double類型轉(zhuǎn)換為float類型

窄化類型轉(zhuǎn)換可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果的正負(fù)號變化以及數(shù)值的精度丟失。在浮點數(shù)值窄化轉(zhuǎn)換為整數(shù)類型時，需遵循一定規(guī)則，如對NaN的處理和使用IEEE 754的向零舍入模式取整。虛擬機(jī)規(guī)范明確規(guī)定數(shù)值類型的窄化轉(zhuǎn)換指令不會導(dǎo)致運(yùn)行時異常。

這些規(guī)定確保了在Java虛擬機(jī)中進(jìn)行數(shù)值類型轉(zhuǎn)換時，能夠預(yù)期并具有可靠性的結(jié)果。

2.5對象創(chuàng)建與訪問指令

Java虛擬機(jī)對類實例和數(shù)組的創(chuàng)建與操作使用了不同的字節(jié)碼指令。以下是涉及對象創(chuàng)建和操作的一些指令：

創(chuàng)建類實例的指令：

• new：創(chuàng)建一個新的類實例

創(chuàng)建數(shù)組的指令：

• newarray：創(chuàng)建一個基本類型數(shù)組
• anewarray：創(chuàng)建一個引用類型數(shù)組
• multianewarray：創(chuàng)建一個多維數(shù)組

訪問類字段和實例字段的指令：

• getfield：獲取實例字段的值
• putfield：設(shè)置實例字段的值
• getstatic：獲取類字段（靜態(tài)字段）的值
• putstatic：設(shè)置類字段（靜態(tài)字段）的值

數(shù)組元素的加載和存儲指令：

• baload：將一個byte或boolean數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧
• caload：將一個char數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧
• saload：將一個short數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧
• iaload：將一個int數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧
• laload：將一個long數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧
• faload：將一個float數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧
• daload：將一個double數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧
• aaload：將一個引用類型數(shù)組元素加載到操作數(shù)棧
• bastore：將一個byte或boolean值存儲到byte或boolean數(shù)組元素中
• castore：將一個char值存儲到char數(shù)組元素中
• sastore：將一個short值存儲到short數(shù)組元素中
• iastore：將一個int值存儲到int數(shù)組元素中
• lastore：將一個long值存儲到long數(shù)組元素中
• fastore：將一個float值存儲到float數(shù)組元素中
• dastore：將一個double值存儲到double數(shù)組元素中
• aastore：將一個引用類型值存儲到引用類型數(shù)組元素中

數(shù)組長度的指令：

• arraylength：獲取數(shù)組的長度

檢查類實例類型的指令：

• instanceof：檢查對象是否是某個類的實例
• checkcast：檢查對象是否可以強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為指定類型

2.6操作數(shù)棧管理指令

Java虛擬機(jī)提供了一些指令，用于直接操作操作數(shù)棧。這些指令包括：

將操作數(shù)棧的棧頂一個或兩個元素出棧：

• pop：將棧頂一個元素彈出
• pop2：將棧頂兩個元素彈出

復(fù)制棧頂一個或兩個數(shù)值并將復(fù)制值或雙份的復(fù)制值重新壓入棧頂：

• dup：復(fù)制棧頂一個元素并將復(fù)制值重新壓入棧頂
• dup2：復(fù)制棧頂兩個元素并將復(fù)制值或雙份的復(fù)制值重新壓入棧頂
• dup_x1：復(fù)制棧頂一個元素并將復(fù)制值與棧頂下面的元素互換位置，然后重新壓入棧頂
• dup2_x1：復(fù)制棧頂兩個元素并將復(fù)制值或雙份的復(fù)制值與棧頂下面的元素互換位置，然后重新壓入棧頂
• dup_x2：復(fù)制棧頂一個元素并將復(fù)制值與棧頂下面的兩個元素互換位置，然后重新壓入棧頂
• dup2_x2：復(fù)制棧頂兩個元素并將復(fù)制值或雙份的復(fù)制值與棧頂下面的兩個元素互換位置，然后重新壓入棧頂

將棧最頂端的兩個數(shù)值互換：

• swap：將棧最頂端的兩個元素互換位置

2.7控制轉(zhuǎn)移指令

控制轉(zhuǎn)移指令在Java虛擬機(jī)中用于有條件或無條件地改變程序執(zhí)行流程。這些指令包括：

條件分支：

• ifeq：如果棧頂元素等于0，則跳轉(zhuǎn)
• iflt：如果棧頂元素小于0，則跳轉(zhuǎn)
• ifle：如果棧頂元素小于等于0，則跳轉(zhuǎn)
• ifne：如果棧頂元素不等于0，則跳轉(zhuǎn)
• ifgt：如果棧頂元素大于0，則跳轉(zhuǎn)
• ifge：如果棧頂元素大于等于0，則跳轉(zhuǎn)
• ifnull：如果棧頂元素為null，則跳轉(zhuǎn)
• ifnonnull：如果棧頂元素不為null，則跳轉(zhuǎn)
• if_icmpeq：如果棧頂兩個int型元素相等，則跳轉(zhuǎn)
• if_icmpne：如果棧頂兩個int型元素不相等，則跳轉(zhuǎn)
• if_icmplt：如果棧頂兩個int型元素第一個小于第二個，則跳轉(zhuǎn)
• if_icmpgt：如果棧頂兩個int型元素第一個大于第二個，則跳轉(zhuǎn)
• if_icmple：如果棧頂兩個int型元素第一個小于等于第二個，則跳轉(zhuǎn)
• if_icmpge：如果棧頂兩個int型元素第一個大于等于第二個，則跳轉(zhuǎn)
• if_acmpeq：如果棧頂兩個引用類型元素相等，則跳轉(zhuǎn)
• if_acmpne：如果棧頂兩個引用類型元素不相等，則跳轉(zhuǎn)

復(fù)合條件分支：

• tableswitch：通過索引訪問表格來進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，用于switch語句的實現(xiàn)
• lookupswitch：通過鍵值對訪問表格來進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，用于switch語句的實現(xiàn)

無條件分支：

• goto：無條件跳轉(zhuǎn)
• goto_w：無條件跳轉(zhuǎn)（寬索引）
• jsr：跳轉(zhuǎn)到子例程（調(diào)用子例程）
• jsr_w：跳轉(zhuǎn)到子例程（調(diào)用子例程，寬索引）
• ret：返回子例程

寬索引是使用4個字節(jié)而不是標(biāo)準(zhǔn)的1個字節(jié)來表示跳轉(zhuǎn)目標(biāo)的偏移量。這使得這兩個指令能夠處理更大范圍的代碼偏移，允許跳轉(zhuǎn)到更遠(yuǎn)的位置。

2.8方法調(diào)用和返回指令

在Java虛擬機(jī)的指令集中，方法調(diào)用是通過一系列不同的指令完成的，這些指令涵蓋了不同類型的方法調(diào)用。以下是五個主要的方法調(diào)用指令：

1. invokevirtual指令：

   • 用于調(diào)用對象的實例方法。
   • 根據(jù)對象的實際類型進(jìn)行分派，這是虛方法分派的典型方式。
   • 是Java語言中最常見的方法分派方式。

   虛方法分派（Virtual Method Dispatch）是指在面向?qū)ο缶幊讨校鶕?jù)對象的實際類型（運(yùn)行時類型）來確定調(diào)用哪個版本的方法。這種分派方式主要用于處理多態(tài)性，確保在運(yùn)行時調(diào)用的是對象實際所屬類的方法，而不是編譯時所聲明的類型。

   是面向?qū)ο缶幊讨袑崿F(xiàn)多態(tài)的重要機(jī)制之一。

2. invokeinterface指令：

   • 用于調(diào)用接口方法。
   • 在運(yùn)行時搜索一個實現(xiàn)了這個接口方法的對象，找出適合的方法進(jìn)行調(diào)用。

3. invokespecial指令：

   • 用于調(diào)用一些需要特殊處理的實例方法。
   • 包括實例初始化方法、私有方法和父類方法。

4. invokestatic指令：

   • 用于調(diào)用類靜態(tài)方法（static方法）。

5. invokedynamic指令：

   • 用于在運(yùn)行時動態(tài)解析出調(diào)用點限定符所引用的方法，并執(zhí)行該方法。
   • 與前四條調(diào)用指令不同，invokedynamic指令的分派邏輯是由用戶所設(shè)定的引導(dǎo)方法決定的。

方法調(diào)用指令與數(shù)據(jù)類型無關(guān)。方法的返回操作則根據(jù)返回值的類型有不同的指令，包括：

• ireturn（用于返回boolean、byte、char、short和int類型的值），
• lreturn（long類型的值），
• freturn（float類型的值），
• dreturn（double類型的值），
• areturn（引用類型的值）。

此外，還有一條return指令，供聲明為void的方法、實例初始化方法、類和接口的類初始化方法使用。

2.9異常處理指令

在Java虛擬機(jī)中，athrow 指令用于顯式拋出異常。當(dāng)在程序中使用 throw 語句時，編譯器會將相應(yīng)的異常對象推送到操作數(shù)棧頂，然后通過 athrow 指令將異常拋出。athrow 指令的使用類似于其他指令，只不過它專門用于拋出異常。

異常處理（catch語句）不是由特定的字節(jié)碼指令來實現(xiàn)的，而是通過異常表（Exception Table）來完成。異常表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于在方法的字節(jié)碼中記錄異常處理器的信息，包括受監(jiān)控的范圍、捕獲的異常類型以及對應(yīng)的異常處理代碼的起始位置等信息。

異常表的作用是在方法的字節(jié)碼執(zhí)行過程中，當(dāng)發(fā)生異常時，虛擬機(jī)會根據(jù)異常表中的信息確定如何處理異常。以下是異常表的主要結(jié)構(gòu)：

• start_pc、end_pc： 定義了受監(jiān)控范圍的起始和結(jié)束位置。在這個范圍內(nèi)，如果發(fā)生異常，則按照異常表中的處理器信息進(jìn)行處理。
• handler_pc： 指定了異常處理器的起始位置，即對應(yīng)異常發(fā)生時要執(zhí)行的代碼的入口。
• catch_type： 指定了捕獲的異常類型，是一個對常量池中CONSTANT_Class_info型常量的索引，表示捕獲的異常類型。如果catch_type的值為0，表示捕獲所有類型的異常（相當(dāng)于Java中的catch(Exception e)）。

異常表中的每一項都對應(yīng)著一個異常處理器，Java虛擬機(jī)在發(fā)現(xiàn)異常時會遍歷異常表，找到第一個匹配的異常處理器，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理代碼塊。如果沒有找到匹配的異常處理器，那么異常將會傳遞到上層調(diào)用棧。

2.10同步指令

字節(jié)碼指令在Java虛擬機(jī)中的執(zhí)行是原子性的。每個字節(jié)碼指令都被視為一個原子操作，它們要么完全執(zhí)行，要么不執(zhí)行。這種原子性保證了在多線程環(huán)境中，一個線程執(zhí)行的字節(jié)碼指令不會被其他線程中斷或插入。

但是代碼指令則為非原子性，例如讀取和寫入共享變量。在多線程環(huán)境下，為了確保線程安全，可能需要使用額外的同步機(jī)制。

因此，Java虛擬機(jī)支持方法級的同步和方法內(nèi)部一段指令序列的同步，這兩種同步結(jié)構(gòu)都使用管程（Monitor，通常稱為“鎖”）來實現(xiàn)。

• 方法級的同步（隱式同步）： 方法級的同步是隱式的，無需通過字節(jié)碼指令控制。虛擬機(jī)可以通過檢查方法的訪問標(biāo)志（ACC_SYNCHRONIZED）來確定一個方法是否被聲明為同步方法。

  • 當(dāng)調(diào)用同步方法時，調(diào)用指令檢查方法的訪問標(biāo)志，如果設(shè)置了，執(zhí)行線程要求首先成功持有管程（鎖），然后才能執(zhí)行方法。最后，在方法完成時，無論是正常完成還是非正常完成，都會釋放管程。
  • 在同步方法執(zhí)行期間，執(zhí)行線程持有管程，其他線程無法獲取相同的管程。如果同步方法執(zhí)行期間拋出異常，并且在方法內(nèi)部無法處理此異常，同步方法所持有的管程將在異常拋到同步方法邊界之外時自動釋放。

• 同步一段指令序列： 同步一段指令序列通常由Java語言中的synchronized語句塊表示。

  • Java虛擬機(jī)提供了monitorenter和monitorexit兩條指令來支持synchronized關(guān)鍵字的語義。
  • 這種同步方式需要Javac編譯器與Java虛擬機(jī)共同協(xié)作來支持，舉例如下：

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

  ? 編譯后，這段代碼生成的字節(jié)碼序列如下：

  Method void onlyMe(Foo)
  0 aload_1          // 將對象f入棧
  1 dup              // 復(fù)制棧頂元素（即f的引用）
  2 astore_2         // 將棧頂元素存儲到局部變量表變量槽2中
  3 monitorenter     // 以棧頂元素（即f）作為鎖，開始同步
  4 aload_0          // 將局部變量槽0（即this指針）的元素入棧
  5 invokevirtual #5 // 調(diào)用doSomething()方法
  8 aload_2          // 將局部變量槽2的元素（即f）入棧
  9 monitorexit      // 退出同步
  10 goto 18         // 方法正常結(jié)束，跳轉(zhuǎn)到18返回
  
  13 astore_3        // 從這步開始是異常路徑，見下面異常表的Target
  14 aload_2          // 將局部變量槽2的元素（即f）入棧
  15 monitorexit      // 退出同步
  16 aload_3          // 將局部變量槽3的元素（即異常對象）入棧
  17 athrow           // 把異常對象重新拋出給onlyMe()方法的調(diào)用者
  
  18 return          // 方法正常返回
  

  為了保證在方法異常完成時monitorenter和monitorexit指 令依然可以正確配對執(zhí)行，編譯器會自動產(chǎn)生一個異常處理程序，這個異常處理程序聲明可處理所有的異常，它的目的就是用來執(zhí)行monitorexit指令。

三、公有設(shè)計、私有實現(xiàn)

Java虛擬機(jī)規(guī)范對于Java程序與虛擬機(jī)實現(xiàn)之間的關(guān)系的規(guī)定。它明確了虛擬機(jī)實現(xiàn)者在設(shè)計虛擬機(jī)時的*度和靈活性。一些關(guān)鍵點包括：

• 公有設(shè)計與私有實現(xiàn)之分界線： Java虛擬機(jī)規(guī)范定義了Java虛擬機(jī)應(yīng)有的共同程序存儲格式（Class文件格式）和字節(jié)碼指令集。這些規(guī)范為Java平臺上的不同實現(xiàn)提供了一個通用的交互手段。規(guī)范強(qiáng)調(diào)了實現(xiàn)者可以靈活地在實現(xiàn)中進(jìn)行優(yōu)化和修改，只要保持對Class文件的正確讀取和包含在其中的語義的準(zhǔn)確實現(xiàn)。
• 實現(xiàn)的伸縮性： 實現(xiàn)者可以根據(jù)虛擬機(jī)的目標(biāo)和關(guān)注點選擇不同的實現(xiàn)方式。這包括將Java虛擬機(jī)代碼翻譯成另一種虛擬機(jī)的指令集或?qū)⑵浞g成宿主機(jī)處理程序的本地指令集。這種伸縮性使得虛擬機(jī)可以在性能、內(nèi)存消耗和可移植性等方面進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化。
• 即時編譯器（Just-In-Time Compiler）等例外情況： 在某些情況下，一些工具如調(diào)試器、性能監(jiān)視器和即時編譯器可能需要訪問一些通常被認(rèn)為是虛擬機(jī)后臺的元素，這可能對實現(xiàn)者的*度產(chǎn)生一些限制。

虛擬機(jī)實現(xiàn)者有很大的靈活性來調(diào)整實現(xiàn)以提高性能、降低內(nèi)存消耗或?qū)崿F(xiàn)其他目標(biāo)，同時保持對Java虛擬機(jī)規(guī)范的兼容性。這種設(shè)計理念為不同的Java虛擬機(jī)實現(xiàn)提供了空間，以滿足各種不同的需求。

四、Class文件結(jié)構(gòu)的發(fā)展

Class文件結(jié)構(gòu)在Java技術(shù)體系中具有穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。以下是一些重要的觀點：

• Class文件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性： 自《Java虛擬機(jī)規(guī)范》初版訂立以來，Class文件結(jié)構(gòu)已經(jīng)有二十多年的歷史。在這段時間里，盡管Java技術(shù)體系發(fā)生了巨大的改變，包括語言、API等方面的變化，但是Class文件結(jié)構(gòu)一直保持相對穩(wěn)定，主體結(jié)構(gòu)和字節(jié)碼指令的語義和數(shù)量幾乎沒有變動。
• 對訪問標(biāo)志和屬性表的改進(jìn)： 隨著Java技術(shù)的演進(jìn)，Class文件的訪問標(biāo)志和屬性表也進(jìn)行了一些改進(jìn)。訪問標(biāo)志新增了一些標(biāo)志，如ACC_SYNTHETIC、ACC_ANNOTATION、ACC_ENUM、ACC_BRIDGE、ACC_VARARGS。屬性表集合中新增了一系列屬性，主要用于支持新的語言特性，如枚舉、變長參數(shù)、泛型、動態(tài)注解等，以及為了性能改進(jìn)和調(diào)試信息。
• 平臺中立和可擴(kuò)展性的重要性： Class文件格式具有平臺中立、緊湊、穩(wěn)定和可擴(kuò)展的特點，這是實現(xiàn)Java技術(shù)體系中平臺無關(guān)和語言無關(guān)兩項特性的關(guān)鍵支柱。這種設(shè)計使得Java程序可以在不同的硬件和操作系統(tǒng)上運(yùn)行，同時為未來的語言特性和擴(kuò)展提供了空間。

二十余年間，字節(jié)碼的數(shù)量和語義只發(fā)生過屈指可數(shù)的幾次變動，例如JDK1.0.2時改動過invokespecial指令的語義，JDK 7增加了invokedynamic指令，禁止了ret和jsr指令。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的JVM学习-Class文件结构的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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