文章目錄

• 前言
• 方法區
• 常量池基本結構
• JVM 所定義的11種常量
• 常量池元素的復合結構
• 常量池的結束位置
• 常量池元素總數量
• 第一個常量池元素
• 父類常量
• 變量型常量池元素

自己的學習筆記，部分節選自《揭秘java虛擬機》

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前言

對于一個class文件，內容有：

以u1、u2、u4、u8分別代表1個字節、2個字節、4個字節、8個字節的無符號數

這里主要說class文件中的常量池：
constant_pool_count
常量池計數器，constant_pool_count的值等于constant_pool表中的成員數加1。constant_pool 表的索引值只有在大于 0 且小于 constant_pool_count 時才會被認為是有效的 ，對于 long 和 double 類型有例外情況。

注意：雖然值為 0 的 constant_pool 索引是無效的，但其他用到常量池的數據結構可以使用索引 0 來表示“不引用任何一個常量池項”的意思。

constant_pool[ ]
常量池，constant_pool 是一種表結構，它包含 Class 文件結構及其子結構中引用的所有字符串常量、類或接口名、字段名和其它常量。常量池中的每一項都具備相同的格式特征——第一個字節作為類型標記用于識別該項是哪種類型的常量，稱為“tagbyte”。常量池的索引范圍是 1 至 constant_pool_count?1。

Jdk1.6及之前：有永久代, 常量池在方法區
Jdk1.7：有永久代，但已經逐步“去永久代”，常量池在堆
Jdk1.8及之后： 無永久代，常量池在元空間

常量池中主要存放兩大類常量：字面量（Literal）和符號引用（Symbolic References）。字面量比較接近于Java語言層面的常量概念，如文本字符串、被聲明為final的常量值等。而符號引用則屬于編譯原理方面的概念，主要包括下面幾類常量：

·被模塊導出或者開放的包（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）

·動態調用點和動態常量（Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant）

方法區

既然提到常量池就順便提一下方法區，方法區主要保存的信息是類的元數據。方法區與堆空間類似，它也是被JVM中所有的線程共享的區域。方法區中最為重要的是類的類型信息、常量池、域信息、方法信息。類型信息包括類的完整名稱、父類的完整名稱、類型修飾符（public/protected/private）和類型的直接接口類表。

常量池基本結構

Java類所對應的常量池主要由常量池數量和常量池數組兩部分組成(如下圖所示)，常量池數量緊跟在次版本號的后面，占2字節。常量池數組則緊跟在常量池數量之后。 常量池數組，顧名思義，就是一個類似數組的結構。這個數組固化在字節碼文件中，由多個元素組成。與一般數組概念不同的是，常量池數組中不同的元素的類型、結構都是不同的，長度也是不同的，但是每一種元素的第一個數據都是一個u1類型，該字節是標志位，占1個字節(如圖4.4所示)。JVM解析常量池時，根據這個u1類型來獲取該元素的具體類型。常量池的結構組成如圖所示。

使用結構化的方式來描述常量池數組的編排，可以如下描述： tag1元素內容1 tag2元素內容2 tag3元素內容3 … tagn元素內容n 這里為了描述，在tag與元素內容之間添加了空格，但實際的class 二進制文件中，這些tag與元素內容之間絕沒有任何空格信息，也沒有任何其他的多余信息，tag后面緊跟著元素內容，第一個元素內容結束了，緊接著就是第二個元素的tag信息，由此可見，整個字節碼文件的格式設計都是非常緊湊的。

JVM 所定義的11種常量

常量池元素中的不同元素結構與類型都是不同的，正因如此，JVM只能定義有限的元素類型，并針對有限的類型進行專門解析。JVM一共定義了11種常量，
　JVM常量池元素一覽表 　

常量池元素的復合結構

常量池數組中的每一種元素的內容都是復合數據結構的，下面分別給出JVM所定義的常量池中每一種元素的具體結構。 該表中tag值為1的常量池元素CONSTANT_Utf8_info，其組成結構為3部分，分別是：tag、length和bytes，其中tag和length的長度分別是u1、u2，即分別占1字節和2字節。而bytes則是字符串的具體內容，其長度是length字節。在字節碼文件中，該常量池元素最終所占的字節數是： 1 + 2 + length 其他類型的常量池元素的組成結構類似。
常量池元素結構：

可以看到，類的方法信息、接口和繼承信息、屬性信息都是定義在NamedAndType_Info中的。

常量池的結束位置

相信有不少讀者讀到這里，可能潛意識里會突然蹦出這么一個問題：整個字節碼文件由多個部分構成，常量池數組只是其中一塊，JVM在解析字節碼文件時，一定需要分別讀取各個部分的字節流，其中也包括常量池數組。但是常量池中有部分元素的值是bytes數組，其長度是隨機變化的，那么JVM在解析時，是如何知道整個常量池的信息解析到什么位置結束呢？其實經過分析不難發現，首先，class文件給出了常量池的總數；其次，凡是碰到有bytes數組的常量池元素，class文件在常量池的每一個元素之前都會專門劃分出2字節用于描述該常量池元素內容所占的字節長度，這樣一來，常量池中每一個元素的長度是確定的，而常量池的總數也是確定的，JVM據此便可以從class文件中準確地計算出常量池結構體的末端位置(起始位置不用計算，是定死的，從第9字節開始，前面8字節分別是魔數和版本號)。

常量池元素總數量

前面8字節用于描述魔數和版本號，從第9字節開始的一大段字節流都用于描述常量池數組信息。其中，第9和第10字節用于描述常量池元素的總數量。

第9和第10字節所保存的常量池數組大小是0x33，換算成十進制是51，說明該字節碼文件中一共包含51個常量池元素。JVM規定，不使用第0個元素，因此實際上一共有50個常量池元素(下文在解析源碼時，會看到源碼中的確是從第1個元素開始解析的，而不是從第0個)。

第一個常量池元素

常量池數量之后(即從第11字節開始)，就是常量池數組。每一個常量池元素都以tag位標開始，tag位標都只占1字節長度。如圖所示。

第11字節對應的值是7，對照上文所給的常量池11種元素的復合結構可知，tag位標為7代表的是CONSTANT_Class_info，即類或接口的符號引用，這種類型的元素的結構組成如下：
◎ tag位標　占1字節
◎ index　占2字節
既然tag位標已經占據了字節碼文件的第11字節，則接下來的第12和13字節將合起來表示index。如上圖所示，這兩個字節對應的值為2。

從第11字節開始，到第13字節為止，一個常量池元素就被描述完成。緊接著開始描述第2個常量池元素

第一個常量池元素后面緊跟著的是第二個常量池元素。其第一字節是01，表示這是一個UTF8編碼的字符串，其結構是：
◎ tag位，占1字節
◎ length，占2字節
◎ bytes，占length字節
如圖所示，tag位后面的2字節的值是4，表示bytes占4字節，其值為0x54657374，其中每兩字節正好代表一個字符，對應的字符串是Test。

*

父類常量

剛才的第1與第2兩個常量用于描述Java類型信息，接下來的第3與第4兩個常量則用于描述父類信息。由于Test.Java類并沒有顯式繼承任何類，因此編譯后處理成默認繼承，即父類是Java.lang.Object。
父類常量的tag位也是07，其類名是java/lang/Object
下面分別給出第3和第4這兩個常量在文件中的內容。

圖4.9顯示，字符串的length值為0x10，即16，于是其后面的16字節都是bytes。由此可以進一步驗證，字符串常量的結構由tag、length和bytes組成，bytes的長度由length指定。

變量型常量池元素

常量池中前面4個元素主要用于描述Java類自身的名稱和其父類名稱，接下來的字節碼流則開始描述類中的變量信息，這些變量既包括類的成員變量，也包括類變量(即靜態變量)信息。 首先看類成員變量a的信息

圖所選中的8字節，一共包含兩個常量池元素信息，這兩個常量池元素的類型都是字符串，因為其tag位都是1。第一個字符串常量的length是1，其值(即bytes)是0x61，正好對應UTF-8編碼的字符a。第二個字符串常量的length也是1，其值是0x49，正好對應UTF-8編碼的字符I。在JVM規范中，若變量的類型是I，則表示該變量的實際類型是int。這與上文對變量a的定義一致。 接著看類變量si的定義，

所選中的27字節，一共描述了兩個常量池元素，這兩個常量池元素的類型也都是字符串。第一個字符串的length為2，其值是0x7369，對應utf-8編碼的字符串si。第二個字符串的length為0x13，即19，其值是0x4C 6A 61 76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 49 6E 74 65 67 65 72 3E，這一串值是ASCII字符，每2個十六進制數對應一個ASCII字符，這些數字連起來就對應一個字符串，所對應的字符串是Ljava/lang/Integer;。 這兩個常量池元素合起來，描述了Test類中的static Integer si這樣的類變量。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的class字节码文件中的常量池结构详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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