访问标志
在类文件结构中常量池之后,紧接着的两个字节代表访问标志(access_flags),这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息,包括:这个Class是类还是接口;是否定义为public类型;是否定义为abstract类型;如果是类的话,是否被声明为final等。注意这里不包括字段与方法的修饰,因为其字段与方法的访问标志在其相应表的结构里,类文件具体的标志位以及标志的含义如下表:
access_flags中一共有16个标志位可以使用,当前只定义了其中8个,没有使用到的标志位要求一律为0。
类索引、父类索引与接口索引集合
类索引(this_class)和父类索引(super_class)都是一个u2类型的数据,而接口索引集合(interfaces)是一组u2类型的数据集合,Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系。类索引用于确定这个类的全限定名,父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。由于Java语言不允许多重继承,所以父类索引只有一个,除了java.lang.Object之外,所有的Java类都有父类,因此除了java.lang.Object外,所有Java类的父类索引都不为0。接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口,这些被实现的接口将按implements语 句后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。
类索引、父类索引和接口索引集合都按顺序排列在访问标志之后,类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示,它们各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量,通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串。
对于接口索引集合,入口的第一项——u2类型的数据为接口计数器(interfaces_count),表示索引表的容量。如果该类没有实现任何接口,则该计数器值为0,后面接口的索引表不再占用任何字节。
字段表集合
字段表(field_info)用于描述接口或者类中声明的变量。字段(field)包括类级变量以及实例级变量,但不包括在方法内部声明的局部变量。
字段表的结构如下图所示:
字段表修饰符放在access_flags项目中,它与类中的access_flags项目非常类似,都是一个u2的数据类型,其中可以设置的标志位和含义如下表:
很明显,在实际情况中,ACC_PUBLIC、ACC_PRIVATE、ACC_PROTECTED三个标志最多只能选择其一,ACC_FINAL、ACC_VOLATILE不能同时选择。接口之中的字段必须有ACC_PUBLIC、ACC_STATIC、ACC_FINAL标志,这些都是由Java本身的语言规则所决定的。跟随access_flags标志的是两项索引值:name_index和descriptor_index。它们都是对常量池的引用,分别代表着字段的简单名称以及字段和方法的描述符。
全限定名:仅仅是把类全名中的“.”换成了"/"而已。
简单名称:可以理解为名字的概念,比如上文例子代码中的inc方法,其函数名为inc,成员变量m,它们的简单名称分别为inc 和m.
相对于全限定名和简单名称来说,方法和字段的描述符就要复杂一些。描述符的作用是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表(包括数量、类型以及顺序)和返回值。根据描述符规则,基本数据类型(byte、char、double、float、int、long、short、boolean)以及代表无返回值的void类型都用一个大写字符来表示,而对象类型则用字符L加对象的全限定名来表示,详情见下表:
对于数组类型,每一维度将使用一个前置的"["字符来描述。用描述符来描述方法时,按照先参数列表,后返回值的顺序描述,参数列表按照参数的严格顺序放在一组小括号"()"之内,上文中的inc 方法的描述符为"()V"。
字段表中包含的固定数据项目到descriptor_index为止就结束了,不过在descriptor_index之后跟随着一个属性表集合用于存储一些额外信息,字段都可以在属性表中描述零至多项的额外信息。
字段表集合中不会列出从超类或者父类接口中继承而来的字段,但有可能列出原本Java代码之中不存在的字段,例如在内部类中为了保持对外部类的访问性,会自动添加指向外部类实例的字段。另外,在Java语言中字段是无法重载的,两个字段的数据类型、修饰符不管是否相同,都必须使用不一样的名称,但是对于字节码来讲,如果两个字段的描述符不一致,那字段重名就是合法的。
方法表集合
Class文件存储格式中对方法的描述与对字段的描述几乎采用了完全一致的方式,方法表的结构如下表:
因为volatile关键字和transient关键字不能修饰方法,所以方法表的访问标志中没有了ACC_VOLATILE标志和ACC_TRANSIENT标志。与之相对的,synchronized、native、strictfp和abstract关键字可以修饰方法,所以方法表的访问标志中增加了ACC_SYNCHORONIZED、ACC_NATIVE、ACC_STRICTEP和ACC_ABSTRACT标志。对于方法表,所有标志位及其取值如下表:
方法里的Java代码,经过编译器编译成字节码指令后,存放在方法属性表集合中一个名为"Code"的属性里面。
与字段表集合相对应的,如果父类方法在子类中没有被重写,方法表集合中就不会出现来自父类的方法信息。但同样的,有可能会出现由编译器自动添加的方法,最典型的便是类构造器“<clinit>”方法和实例构造器"<init>"方法。
在Java语言中,要重载一个方法,除了要与原方法具有相同的简单名称之外,还要求必须拥有一个与原方法不同的特征签名,特征签名就是一个方法中各个参数在常量池中的字段符号引用的集合,也就是因为返回值不会包含在特征签名中,因此Java语言里面是无法仅仅依靠返回值的不同来对一个已有方法进行重载的。但是在Class文件格式中,特征签名的范围更大一些,只要描述符不是完全一致的两个方法也可以共存。也就是说,如果两个方法有相同的名称和特征签名,但返回值不同,那么也是可以合法共存于同一个Class文件中的。
属性表
在前面讲解类结构、字段表、方法表中都提及过属性表,在Class文件,字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合,以用于描述某些场景专有的信息。与Class文件中其他的数据项目要求严格的顺序、长度和内容不同,属性表集合的限制稍微宽松了一些,不再要求各个属性表具有严格顺序,并且只要不与已有属性名重复,任何人实现的编译器都可以向属性表中写入自己定义的属性信息,Java虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。下表中给出一些属性中的关键常用部分的讲解
对于每个属性,它的名称需要从常量池中引用一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量来表示,而属性值的结构则是完全自定义的,只需要通过一个u4的长度属性去说明属性值所占用的位数即可。一个符合规则的属性表应该满足下表所定义的结构:
在字段表与方法表中以及上篇文章的常量池中都提到了Code,现在我们来看看Code是什么?
Code属性
Java程序方法体中的代码经过Javac编译器处理后,最终变为字节码指令存储在Code属性内。Code属性出现在方法表的属性集合之中,但并非所有的方法都必须存在这个属性,比如说接口或者抽象类中的方法就不存在Code属性,如果方法表有Code属性存在,那么它的结构将如下表所示:
attribute_name_index是一项指向CONSTANT_Utf8_info型常量的索引,常量值固定为"Code",它代表了该属性的属性名称,attribute_length指示了属性值的长度,由于属性名称索引与属性长度一共为6字节,所以属性值的长度固定为整个属性表长度减去6个字节。
max_stack代表了操作数栈(Operand Stacks)深度的最大值。在方法执行的任意时刻操作数栈都不会超过这个深度。虚拟机运行的时候需要根据这个值来分配栈帧(Stack Frame)中的操作栈深度。
max_locals代表了局部变量表所需的存储空间。在这里,max_locals的单位是Slot,Slot是虚拟机为局部变量分配内存所使用的最小单位。对于byte、char、float、int、short、boolean和returnAddress等长度不超过32位的数据类型,每个局部变量占用1个Slot,而double和long这两种64位的数据类型则需要两个Slot来存放。方法参数(包括实例方法中的隐藏参数"this")、显示异常处理器的参数(Exception Handler Parameter,就是try-catch语句中catch块所定义的异常)、方法体中定义的局部变量都需要使用局部变量表来存放。另外,并不是在方法中用到了多少个局部变量,就把这些局部变量所占Slot之和作为max_locals的值,原因是局部变量表中的Slot可以重用,当代码执行超出一个局部变量的作用域时,这个局部变量所占的Slot可以被其它局部变量所使用,Javac编译器会根据变量的作用域来分配Slot给各个变量使用,然后计算出max_locals的大小。
code_length和code用来存储Java源程序编译后生成的字节码指令。code_length代表字节码长度,code是用于存储字节码指令的一系列字节流。既然叫字节码指令,那么每个指令就是u1类型的单字节,当虚拟机读取到code中的一个字节码时,就可以对应找出这个字节码代表的是什么指令,并且可以知道这条指令后面是否需要跟随参数,以及参数应当如何理解。我们知道一个u1数据类型的取值范围为0x00~0xFF,对应十进制的0~255,也就是一共可以表达256条指令。
关于code_length,有一件值得注意的事情,虽然它是一个u4类型的长度值,理论上最大值可以达到232-1,但是虚拟机规范中明确限制了一个方法不允许超过65535条字节码指令,即它实际只使用了u2的长度,如果超过这个限制,javac编译器也会拒绝编译。一般来讲,编写Java代码时只要不是刻意去编写一个超长的方法来为难编译器,是不太可能超过这个最大值的限制。
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,那么在整个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。
exception_table_length和exception_table是异常表相关的内容,异常表的格式如下表所示:
异常表包含4个字段,这些字段的含义为:如果当字节码在第start_pc行到第end_pc之间(不包含end_pc行)出现了类型为catch_type或者其子类的异常(catch_type为指向一个CONSTANT_Class_info型常量的索引),则转到第handler_pc行继续处理。当catch_type的值为0时,代表任意异常情况都需要转向到handler_pc处进行处理。异常表实际上是Java代码的一部分,编译器使用异常表而不是简单的跳转命令来实现Java异常与finally处理机制。
Exceptions属性
这里的Exceptions属性是在方法表中与Code属性平级的一项属性,不要与前面刚刚讲解完的异常表产生混淆。Exceptions属性的作用是列举出方法中可能抛出的受查异常(Checked Exceptions),也就是方法描述时在throws关键字后面列举的异常。它的结构见下表:
Exceptions属性中的number_of_exceptions项表示方法可能抛出number_of_exceptions种受查异常,每一种受查异常使用一个exception_index_table项表示,exception_index_table是一个指向常量池中
CONSTANT_Class_info型常量的索引,代表了该受查异常的类型。
LineNumberTable属性
LineNumberTable属性用于描述Java源码行号与字节码行号(字节码的偏移量)之间的对应关系。它并不是运行时必需的属性,但默认会生成到Class文件之中,可以在javac中分别使用-g:none或-g:lines选项来取消或要求生成这项信息。如果选择不生成LineNumberTable属性,对程序运行产生的最主要的影响就是当抛出异常时,堆栈中将不会显示出错的行号,并且在调试程序的时候,也无法按照源码行来设置断点。LineNumberTable属性的结构见下表:
line_number_table是一个数量为line_number_table_length、类型为line_number_info的集合,line_number_info表包括了start_pc和line_number两个u2类型的数据项,前者是字节码行号,后者是Java源码行号。
LocalVariableTable属性
LocalVariableTable属性用于描述栈帧中局部变量表中的变量与Java源码中定义的变量之间的关系,它也不是运行时必需的属性,但默认会生成到Class文件之中,可以在Javac中分别使用-g:none或-g:vars选项来取消或要求生成这项信息。如果没有生成这项属性,最大的影响就是当其他人引用这个方法时,所有的参数名称都将丢失。IDE将会使用诸如arg0、arg1之类的占位符代替原有的参数名,这对程序运行没有影响,但是会对代码编写带来较大不便,而且在调试期间无法根据参数名称从上下文中获得参数值。LocalVariableTable属性的结构见下表:
其中,local_variable_info项目代表了一个栈帧与源码中的局部变量的关联,其结构如下表:
start_pc和length属性分别代表了这个布局变量的生命周期开始的字节码偏移量及其作用范围覆盖的长度,两者结合起来就是这个布局变量在字节码之中的作用域范围。
name_index和descriptor_index都是指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引,分别代表了局部变量的名称以及这个局部变量的描述符。
index是这个局部变量在栈帧局部变量表中Slot的位置。当这个变量数据类型是64位类型时(double和long),它占用的Slot为index和index+1两个。
SourceFile属性
SourceFile属性用于记录生成这个Class文件的源码文件名称。这个属性也是可选的,可以分别使用Javac的-g:none或-g:source选项来关闭或要求生成这项信息。在Java中,对于大多数的类来说,类名和文件名是一致的,但是有一些特殊情况(如内部类)例外。如果不生成这项属性,当抛出异常时,堆栈中将不会显示出错代码所属的文件名。这个属性是一个定长的属性,其结构如下:
sourcefile_index数据项是指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引,常量值是源码文件的文件名。
ConstantValue属性
ConstantValue属性的作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值。只有被static关键字修饰的变量(类变量)才可以使用这项属性。类似“int x=123”和"static int x=123"这样的变量定义在Java程序中是非常常见的事情,但虚拟机对这两种变量赋值的方式和时刻都有所不同。对于非static类型的变量(也就是实例变量)的赋值是在实例构造器<init>方法中进行的;而对于类变量,则有两种方式可以选择:在类构造器<clinit>方法中或者使用ConstantValue属性。目前Sun Javac编译器的选择是:如果同时使用final和static来修饰一个变量,并且这个变量的数据类型是基本类型或者java.lang.String的话,就生成ConstantValue属性来进行初始化,如果这个变量没有被final修饰,或者并非基本类型及字符串,则将会选择在<clinit>方法中进行初始化。ConstantValue属性的结构如下表:
从数据结构中可以看出,ConstantValue属性是一个定长属性,它的attribute_length数据项值必须固定为2。constantvalue_index数据项代表了常量池中一个字面量常量的引用,根据字段类型的不同,字面量可以是CONSTANT_Long_info、CONSTANT_Float_info、CONSTANT_Double_info、CONSTANT_Integer_info、CONSTANT_String_info常量中的一种。
InnerClasses属性
InnerClasses属性用于记录内部类与宿主类之间的关联。如果一个类中定义了内部类,那编译器将会为它以及它所包含的内部类生成InnerClasses属性。该属性的结构如下表:
数据项number_of_classes代表需要记录多少个内部类信息,每一个内部类的信息都由一个inner_classes_info表进行描述。inner_classes_info表的结构如下:
inner_class_info_index和outer_class_info_index都是指向常量池中CONSTANT_Class_info型常量的索引,分别代表了内部类和宿主类的符号引用。
index_name_index是指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引,代表这个内部类的名称,如果是匿名内部类,那么这项值为0.
inner_class_access_flags是内部类的访问标志,类似于类的access_flags。
Deprecated及Synthetic属性
Deprecated和Synthetic两个属性都属于标志类型的布尔属性,只存在有和没有的区别,没有属性值的概念。
Deprecated属性用于表示某个类、字段或者方法,已经被程序作者定为不再推荐使用,它可以通过在代码中使用@deprecated注释进行设置。
Synthetic属性代表此字段或者方法并不是由Java源码直接产生的,而是由编译器自行添加的,在JDK1.5之后,标识一个类,字段或者方法是编译器自动产生的,也可以设置它们访问标志中的ACC_SYNTHETIC标志位。所有由非用户代码产生的类、方法及字段都应当至少设置Synthetic属性和ACC_SYNTHETIC标志位中的一项,唯一的例外是实例构造器<init>方法和类构造器<clinit>方法。Deprecated和Synthetic属性的结构如下表:
其中attribute_length数据项的值必须为0x00000000,因为没有任何属性值需要设置。
StackMapTable属性
StackMapTable属性中包含零至多个栈映射帧(Stack Map Frames),每个栈映射帧都显示或隐式地代表了一个字节码偏移量,用于表示该执行到该字节码时局部变量表和操作数栈的验证类型。类型检查验证器会通过检查目标方法的局部变量和操作数栈所需要的类型来确定一段字节码指令是否符合逻辑约束。StackMapTable属性的结构见下表:
《Java虚拟机规范(java se 7)》明确规定:在版本号大于或等于50.0的Class文件中,如果方法的Code属性中没有附带StackMapTable属性,那就意味着它带有一个隐式的StackMap属性。这个StackMap属性的作用等同于number_of_entries值为0的StackMapTable属性。一个方法的Code属性最多只能有一个StackMapTable属性,否则将抛出ClassFormatError异常。
Signature属性
Signature是一个可选的定长属性,可以出现于类、属性表和方法表结构的属性表中。 在JDK1.5之后,任何类、接口、初始化方法或成员的泛型签名如果包含了类型变量(Type Variables)或参数化类型(Parameterized Types),则Signature属性会为它记录泛型签名信息。之所以要专门使用这样一个属性去记录泛型类型,是因为Java语言的泛型采用的是擦除法实现的伪泛型,在字节码中,泛型信息编译(类型变量、参数化类型)之后都通通被擦除掉。使用擦除法的好处是实现简单(主要修改Javac编译器,虚拟机内部只做了很少的改动),运行期也能够节省一些类型所占的内存空间。但坏处是运行期就无法像C#等有真泛型支持的语言那样,将泛型类型与用户定义的普通类型同等对待,例如运行期做反射时无法获得泛型信息。Signature属性就是为了弥补这个缺陷而增设的,现在Java的反射API能够获取泛型类型,最终的数据来源也就是这个属性。Signature属性的结构如下表:
其中signature_index项的值必须是一个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,表示类签名、方法类型签名或字段类型签名。如果当前的Signature属性是类文件属性,则这个结构表示类签名,如果当前的Signature属性是方法表的属性,则这个结构表示方法类型签名,如果当前Signature属性是字段表的属性,则这个结构表示字段类型签名。
BootstrapMethods 属性
BootstrapMethods属性是在JDK1.7中新增加到Class文件规范之中的,它是一个复杂的变长属性,位于类文件的属性表中。这个属性用于保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符。《Java 虚拟机规范》规定,如果某个类文件结构的常量池中曾经出现过CONSTANT_InvokeDynamic_info类型的常量,那么这个类文件的属性表中必须存在一个明确的BootstrapMethods属性,另外,即使CONSTANT_InvokeDynamic_info类型的常量在常量池中出现过多次,类文件的属性表中最多也只能有一个BootstrapMethods属性。其结构如下表:
其中引用到的bootstrap_method结构如下表:
BootstrapMethods属性中,num_bootstrap_methods项的值给出了bootstrap_methods[]数组中的引导方法限定符的数量。而bootstrap_methods[]数组的每个成员包含了一个指向常量池CONSTANT_MethodHandle结构的索引值,它代表了一个引导方法,还包含了这个引导方法静态参数的序列(可能为空)。bootstrap_methods[]数组中的每个成员必须包含以下3项内容:
bootstrap_method_ref:bootstrap_method_ref项的值必须是一个对常量池的有效索引。常量池在该索引处的值必须是一个CONSTANT_MethodHandle_info结构。
num_bootstrap_arguments:num_bootstrap_arguments项的值给出了bootstrap_arguments[]数组成员的数量。
bootstrap_arguments[]:bootstrap_arguments[]数组的每个成员必须是一个对常量池的有效索引。常量池在该索引处必须是下列结构之一:
CONSTANT_String_info、CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Integer_info、CONSTANT_Long_info、CONSTANT_Float_info、CONSTANT_Double_info、CONSTANT_MethodHandle_info或CONSTANT_MethodType_info。
这一部分的内容真心的好枯燥,为了不让枯燥进行到底,我们来仔细的解剖一下上篇文章中的字节码文件
从上图中我们可以看到人工解析这个文件是容易让人崩溃的,所以大部分情况下,我们还是使用javap命令,或者直接把class文件拖到ide编辑器中,如eclipse。
这里有必要对上篇文章的部分内容再进行一次说明:
public int inc(); flags: ACC_PUBLIC Code: stack=2, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: getfield #18 // Field m:I 4: iconst_1 5: iadd 6: ireturn LineNumberTable: line 6: 0 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 7 0 this Lcom/general/class_structure/TestClass;
对于inc方法的stack为什么等于2,locals为什么等于1.
stack是指栈帧中的操作数栈,源码中的操作是m+1,对应的自己码指令为 aload_0是将this引用推送至栈顶,getfield指令首先会将this出栈然后获取m的值并将其入栈,这时操作数栈的长度始终为1,接着执行iconst_1指令将int型的1推送至栈顶,此时操作数栈的长度为2,接着执行iadd指令,将m和1出栈并相加将运算结果入栈。从字节码指令的层面上我们分析出,操作数栈的长度最大为2,所以stack的值为2.
locals等于1以及args_size=1,大家可能会困惑,inc方法明明没有参数,这两个值为什么是1呢?如果有这样的疑问,大家可能是忽略了一点:在任何实例方法里面,都可以通过"this"关键字访问到此方法所属的对象。这个访问机制对Java程序的编写很重要,而它的实现却非常简单,仅仅是通过Javac编译器编译的时候把对this关键字的访问转变为对一个普通方法参数的访问,然后在虚拟机调用实例方法时自动传入此参数而已。到这里,相信大家都已经明白了stack,locals,args_size的值为什么是2,1,1了。
转载请注明出处:http://blog.csdn.net/android_jiangjun/article/details/78387407