本章主要说明Class文件结构中的各个组成部分，以及每个部分的定义、数据结构和使用方法，然后用一个例子来演示Class文件的结构和存储。
类文件结构
类文件结构我用思维导图来描述的，思维导图可以使复杂结构更清晰
下面是参考地址：
http://naotu.baidu.com/file/8dc81a548af158e19d65c7b8b8688ccb?token=32bdda47e5a132fe
一个参考例子：
http://blog.csdn.net/zhoufenqin/article/details/51045890
字节码指令简介
Java虚拟机的指令由一个字节长度的、代表着某种特定操作含义的数字(称为操作码 ,Opcode ) 以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数(称为操作数,Operands )而构成。由于Java虚拟机采用面向操作数栈而不是寄存器的架构(这两种架构的区别和影响将在第8章中探讨),所以大多数的指令都不包含操作数,只有一个操作码。
特点
字节码指令集是一种具有鲜明特点、优劣势都很突出的指令集架构,由于限制了Java虚拟机操作码的长度为一个字节(即0〜255) ,这意味着指令集的操作码总数不可能超过256条;又由于Class文件格式放弃了编译后代码的操作数长度对齐,这就意味着虚拟机处理那些超过一个字节数据的时候,不得不在运行时从字节中重建出具体数据的结构,如果要将一个16位长度的无符号整数使用两个无符号字节存储起来(将它们命名为byte1和byte2) ,那它们的值应该是这样的:
(byte1<<8)|byte2这种操作在某种程度上会导致解释执行字节码时损失一些性能。但这样做的优势也非常明显,放弃了操作数长度对齐,就意味着可以省略很多填充和间隔符号;用一个字节来代表操作码,也是为了尽可能获得短小精干的编译代码。这种追求尽可能小数据量、高传输效率的设计是由Java语言设计之初面向网络、智能家电的技术背景所决定的,并一直沿用至今。
执行模型： 
如何记住操作符：
对于大部分与数据类型相关的字节码指令,它们的操作码助记符中都有特殊的字符来表明专门为哪种数据类型服务:i代表对int类型的数据操作,l代表long,s代表short,b代表byte,c代表char,f代表float,d代表double,a代表reference。也有一些指令的助记符中没有明确地指明操作类型的字母,如arraylength指令,它没有代表数据类型的特殊字符,但操作数永远只能是一个数组类型的对象。还有另外一些指令,如无条件跳转指令goto则是与数据类型无关的。
大部分的指令都没有支持整数类型byte、char和short,甚至没有任何指令支持boolean类型。编译器会在编译期或运行期将byte和short类型的数据带符号扩展(Sign-Extend)为相应的int类型数据,将boolean和char类型数据零位扩展(Zero-Extend)为相应的int类型数据。与之类似,在处理boolean、byte、short和char类型的数组时, 也会转换为使用对应的int类型的字节码指令来处理。因此 ,大多数对于boolean、byte、 short 和char类型数据的操作,实际上都是使用相应的int类型作为运算类型( Computational Type ) 。
加载和存储指令
加载和存储指令用于将数据在栈帧中的局部变量表和操作数栈之间来回传输,这类指令包括如下内容。
- 将一个局部变量加载到操作栈:iload、iload_、lload、lload_、fload、fload_、dload、dload_、aload、aload_ 。
- 将一个数值从操作数栈存储到局部变量表 :istore、istore_、lstore、lstore_、fstore、fstore_ 、dstore、dstore_ 、astore、astore_ 。
- 将一个常量加载到操作数栈:bipush、sipush、ldc、 ldc_w、ldc2_w、 aconst_null、iconst_ml、iconst_、lconst_、fconst_、dconst_。
- 扩充局部变量表的访问索引的指令 : wide。
存储数据的操作数栈和局部变量表主要就是由加载和存储指令进行操作,除此之外,还有少量指令,如访问对象的字段或数组元素的指令也会向操作数栈传输数据。
上面所列举的指令助记符中,有一部分是以尖括号结尾的(例如iload_ ),这些指令助记符实际上是代表了一组指令(例如iload_ , 它代表了iload_0、iload_1、iload_2和 iload_3这几条指令)。这几组指令都是某个带有一个操作数的通用指令(例如iload) 的特殊形式 ,对于这若干组特殊指令来说,它们省略掉了显式的操作数,不需要进行取操作数的动作 ,实际上操作数就隐含在指令中。除了这点之外,它们的语义与原生的通用指令完全一致(例如iload_0的语义与操作数为0时的iload指令语义完全一致)。
运算指令
所有的算术指令如下。
- 加法指令:iadd、ladd、fadd、dadd。
- 减法指令:isub、lsub、fsub、dsub。
- 乘法指令:imul、lmul、fmul、dmul。
- 除法指令:idiv、ldiv、fdiv、ddiv。
- 求余指令:irem、lrem、frem、drem。
- 取反指令 : ineg、lneg、fneg、dneg。
- 位移指令:ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr。
- 按位或指令:ior、lor。
- 按位与指令:iand、land。
- 按位异或指令:ixor、lxor。
- 局部变量自增指令:iinc。
- 比较指令:dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp。
类型转换指令
Java 虚拟机直接支持(即转换时无需显式的转换指令)以下数值类型的宽化类型转换 ( WideningNumeric Conversions , 即小范围类型向大范围类型的安全转换):
- int类型到long、float或者double类型。
- long类型到float、double类型。
- float类型到double类型。
相对的,处理窄化类型转换( Narrowing Numeric Conversions ) 时 ,必须显式地使用转换指令来完成,这些转换指令包括:i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l和d2f。窄化类型转换可能会导致转换结果产生不同的正负号、不同的数量级的情况,转换过程很可能会导致数值的精度丢失。
对象创建与访问指令
虽然类实例和数组都是对象,但Java虚拟机对类实例和数组的创建与操作使用了不同的字节码指令。
- 创建类实例的指令:new。
- 创建数组的指令 : 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 )的指令:getfield、putfield、getstatic、putstatic。
- 把一个数组元素加载到操作数栈的指令:baload、caload、saload、iaload、laload、faloads daload、aaload。
- 将一个操作数栈的值存储到数组元素中的指令:bastore、castore、sastore、iastore、fastore、dastore、aastore。
- 检查类实例类型的指令:instanceof、checkcast。
操作数栈管理指令
如同操作一个普通数据结构中的堆栈那样,Java虚拟机提供了一些用于直接操作操作数栈的指令,包括:
- 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值并将复制值或双份的复制值重新压入栈顶:dup、dup2、 dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2。
- 将栈最顶端的两个数值互换 : swap。
控制转移指令
控制转移指令可以让Java虚拟机有条件或无条件地从指定的位置指令而不是控制转移指令的下一条指令继续执行程序,从概念模型上理解,可以认为控制转移指令就是在有条件或无条件地修改PC寄存器的值。控制转移指令如下。
- 条件分支:ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、 if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq和if_acmpne。
- 复合条件分支:tableswitch、 lookupswitch。
- 无条件分支:goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret。
方法调用和返回指令
仅列举以下5条用于方法调用的指令。
- invokevirtual指令用于调用对象的实例方法,根据对象的实际类型进行分派(虚方法分派),这也是Java语言中最常见的方法分派方式。
- invokeinterface指令用于调用接口方法,它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象 ,找出适合的方法进行调用。
- invokespecial指令用于调用一些需要特殊处理的实例方法,包括实例初始化方法、私有方法和父类方法。
- invokestatic指令用于调用类方法(static方法)。
- invokedynamic指令用于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 ,前面4条调用指令的分派逻辑都固化在Java虚拟机内部,而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。
异常处理指令
在Java程序中显式拋出异常的操作(throw语句)都由athrow指令来实现,除了用throw语句显式拋出异常情况之外,Java虛拟机规范还规定了许多运行时异常会在其他Java虚拟机指令检测到异常状况时自动拋出。例如 ,在前面介绍的整数运算中,当除数为零时,虚拟机会在idiv或ldiv指令中拋出ArithmeticException异常。
而在Java虚拟机中,处理异常(catch语句)不是由字节码指令来实现的(很久之前曾经使用jsr和ret指令来实现,现在已经不用了),而是使用异常表来完成的。
同步指令
Java虚拟机可以支持方法级的同步和方法内部一段指令序列的同步,这两种同步结构都是使用管程(Monitor)来支持的。
同步一段指令集序列通常是由Java语言中的synchronized语句块来表不的,Java虚拟机的指令集中有monitorenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字的语义,正确实现synchronized关键字需要Javac编译器与Java虚拟机两者共同协作支持。
公有设计和私有实现
Java虚拟机规范描绘了Java虚拟机应有的共同程序存储格式:Class文件格式以及字节码指令集。这些内容与硬件、操作系统及具体的Java虚拟机实现之间是完全独立的,虚拟机实现者可能更愿意把它们看做是程序在各种Java平台实现之间互相安全地交互的手段。
理解公有设计与私有实现之间的分界线是非常有必要的,Java虚拟机实现必须能够读取Class文件并精确实现包含在其中的Java虚拟机代码的语义。但一个优秀的虚拟机实现,在满足虚拟机规范的约束下对具体实现做出修改和优化也是完全可行的,并且虚拟机规范中明确鼓励实现者这样做。
虚拟机实现者可以使用这种伸缩性来让Java虚拟机获得更高的性能、更低的内存消耗或者更好的可移植性,选择哪种特性取决于Java虚拟机实现的目标和关注点是什么。虚拟机实现的方式主要有以下两种:
- 将输入的Java虛拟机代码在加载或执行时翻译成另外一种虚拟机的指令集。
- 将输入的Java虚拟机代码在加载或执行时翻译成宿主机CPU的本地指令集(即JIT代码生成技术)。