摘要：對(duì)一個(gè)文件的字節(jié)碼進(jìn)行逐行的分析是理解文件結(jié)構(gòu)的最佳方式。本文的目的在于盡可能完整地拆解的字節(jié)碼并將其分塊分析，最終得到的圖解結(jié)構(gòu)希望可以幫助到你。字節(jié)碼指令的具體含義鑒于與結(jié)構(gòu)是相對(duì)獨(dú)立的主題不再詳述，后續(xù)會(huì)再多帶帶深入介紹。

對(duì)一個(gè)class文件的字節(jié)碼進(jìn)行逐行的分析是理解class文件結(jié)構(gòu)的最佳方式。但是往往復(fù)雜的二進(jìn)制字節(jié)碼會(huì)讓人望而卻步，或者只有仔細(xì)一點(diǎn)點(diǎn)盯著才能保證不花眼。本文的目的在于盡可能完整地拆解JVM的Class字節(jié)碼并將其分塊分析，最終得到的圖解結(jié)構(gòu)希望可以幫助到你。

本文參考自來(lái)自周志明《深入理解Java虛擬機(jī)（第2版）》，拓展內(nèi)容建議讀者可以閱讀下這本書。

以下的例子作為最簡(jiǎn)單的一個(gè)java程序，通過(guò)javac執(zhí)行編譯，javap來(lái)查看它的反編譯結(jié)果，當(dāng)然我們還會(huì)更刨根問(wèn)底地直接使用二進(jìn)制編輯器查看class文件的二進(jìn)制字節(jié)排布。

> javap -v Test
Classfile /Users/jinhaoplus/Desktop/Test.class
  Last modified 2018-8-12; size 285 bytes
  MD5 checksum eac8f02f8ad176b09bfd89cf15e2ed3d
  Compiled from "Test.java"
public class top.jinhaoplus.demo.Test
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#15         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Fieldref           #3.#16         // top/jinhaoplus/demo/Test.m:I
   #3 = Class              #17            // top/jinhaoplus/demo/Test
   #4 = Class              #18            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               m
   #6 = Utf8               I
   #7 = Utf8               
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               inc
  #12 = Utf8               ()I
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               Test.java
  #15 = NameAndType        #7:#8          // "":()V
  #16 = NameAndType        #5:#6          // m:I
  #17 = Utf8               top/jinhaoplus/demo/Test
  #18 = Utf8               java/lang/Object
{
  public int m;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC

  public top.jinhaoplus.demo.Test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0

  public int inc();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field m:I
         4: iconst_1
         5: iadd
         6: ireturn
      LineNumberTable:
        line 6: 0
}
SourceFile: "Test.java"

如上的字節(jié)碼閱讀起來(lái)有諸多障礙，因此我們把上面的字節(jié)碼按照字節(jié)碼規(guī)范定義的class結(jié)構(gòu)分區(qū)為不同的顏色塊，不同的分區(qū)顏色說(shuō)明這個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)著class結(jié)構(gòu)中的不同區(qū)域定義，表示一個(gè)整體概念的字節(jié)碼在圖中顯示為同一行上：

下面的圖是class文件結(jié)構(gòu)的思維導(dǎo)圖說(shuō)明，可以跟上述的實(shí)際的一個(gè)class的分區(qū)作簡(jiǎn)單的對(duì)照：

下面詳細(xì)解釋一下class文件的每個(gè)分區(qū)，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示當(dāng)前區(qū)的占位情況，u是字節(jié)的意思，如u4表示占4個(gè)字節(jié)的空間，對(duì)應(yīng)到圖中就是4個(gè)方格。

magic(u4）：魔數(shù)，class文件的標(biāo)識(shí)開(kāi)頭。

CAFEBABE是固定的JVM Class的魔數(shù)，也可以認(rèn)為是眾所周知的Java咖啡Logo的由來(lái)。

version：class版本，主次版本合起來(lái)即可確定版本號(hào)。

2.1 minor_version(u2)：次版本

2.2 major_version(u2)：主版本

Class文件的版本為次版本0X0000、主版本0X0034，對(duì)應(yīng)的是10進(jìn)制的52.0。說(shuō)明此Class是在JDK_VERSION=52.0(JDK1.8)的編譯器中生成的，同時(shí)又可以被版本在JDK_VERSION=52.0及以上的虛擬機(jī)上執(zhí)行（JVM保持了向下兼容性，但是拒絕執(zhí)行超過(guò)它的版本號(hào)的Class字節(jié)碼）。

constant_pool_count(u2)：常量池大小，定義了常量池中保存的常量個(gè)數(shù)（準(zhǔn)確說(shuō)常量個(gè)數(shù)=constant_pool_count-1）。

0X0013表示constant_pool_count=19，常量池中保存的常量個(gè)數(shù)=18（編號(hào)為#1～#18）。

constant_pool(constant_pool_count-1個(gè)constant_pool_info)：實(shí)際保存的常量，編號(hào)從1開(kāi)始（將0位留空有特殊考量）。

常量有多種種類，我們這里只提一下我們的Class文件里涉及到的具體的類型。

3.2.1 CONSTANT_Utf8_info

由utf-8編碼的二進(jìn)制串，其字節(jié)碼格式為

其中的tag=0X01即為CONSTANT_Utf8_info類型常量的標(biāo)識(shí)。我們Class字節(jié)碼中的#5、#6、#7、#8、#9、#10、#11、#12、#13、#14、#17、#18都是CONSTANT_Utf8_info常量，因?yàn)樗鼈兊氖孜籺ag=0X01(橘色列)，通過(guò)utf-8解碼這些常量指定長(zhǎng)度的二進(jìn)制串可以得出下面的結(jié)果，比如#5號(hào)常量length=1（10進(jìn)制的0X0001），而bytes為0X6D，utf-8解碼后就是字符串m，同理可以得到這些二進(jìn)制串的值（這就是javap反編譯出結(jié)果的原理，可以參照javap得到的結(jié)果對(duì)照一下）：

#5               m
#6               I
#7               
#8               ()V
#9               Code
#10              LineNumberTable
#11              inc
#12              ()I
#13              SourceFile
#14              Test.java
#17              top/jinhaoplus/demo/Test
#18              java/lang/Object

3.2.2 CONSTANT_Class_info

類常量，其字節(jié)碼格式為

其中的tag=0X07即為CONSTANT_Class_info類型常量的標(biāo)識(shí)，index指向了常量池中類的全限定名的索引序號(hào)。

我們Class字節(jié)碼中的#3、#4是CONSTANT_Class_info類型的類常量，它們的首位tag=0X07(橘色列)，通過(guò)查找常量池中它們指向的索引序號(hào)，我們可以得出這兩個(gè)類的全限定名：

#3              #17            // top/jinhaoplus/demo/Test
#4              #18            // java/lang/Object

3.2.3 CONSTANT_NameAndType_info

字段或方法的名稱和類型常量，其字節(jié)碼格式為

其中的tag=0X0C即為CONSTANT_NameAndType_info類型常量的標(biāo)識(shí)，第一個(gè)index指向了字段或方法名稱在常量池中的索引序號(hào)，第二個(gè)index指向了字段或方法的描述符在常量池中的索引序號(hào)。

字段的描述符就是簡(jiǎn)單的字段類型，Class文件中的類型為了節(jié)省空間進(jìn)行了簡(jiǎn)化：如基本類型int->I，double->D，引用類型java/lang/Object -> Ljava/lang/Object。

我們Class字節(jié)碼中的#15、#16是CONSTANT_NameAndType_info類型的類常量，它們的首位tag=0X0C(橘色列)，通過(guò)查找常量池中它們兩個(gè)指向的索引序號(hào)，我們可以得出常量#15的名稱為#7號(hào)常量即，類型為#8號(hào)常量即()V。同理可以得到#16的意思。

#15        #7:#8          // "":()V
#16        #5:#6          // m:I

3.2.4 CONSTANT_Fieldref_info

字段引用常量，其字節(jié)碼格式為

其中的tag=0X09即為CONSTANT_Fieldref_info類型常量的標(biāo)識(shí)，第一個(gè)index指向了聲明字段的類或接口的CONSTANT_Class_info常量在常量池中的索引序號(hào)，第二個(gè)index指向了字段的名稱和類型信息CONSTANT_NameAndType_info常量在常量池中的索引序號(hào)。
我們Class字節(jié)碼中的#2是CONSTANT_Fieldref_info類型的類常量，它們的首位tag=0X09(橘色列)，通過(guò)查找常量池中它指向的索引序號(hào)，我們可以得出這個(gè)字段的聲明類的是top/jinhaoplus/demo/Test，字段的名稱是m，類型是I（即int，Class將類型全稱映射到成了單字母）。

#2           #3.#16         // top/jinhaoplus/demo/Test.m:I

3.2.5 CONSTANT_Methodref_info

方法引用常量，其字節(jié)碼格式為

其中的tag=0X0A即為CONSTANT_Methodref_info類型常量的標(biāo)識(shí)，第一個(gè)index指向了聲明方法的類或接口的CONSTANT_Class_info常量在常量池中的索引序號(hào)，第二個(gè)index指向了方法的名稱和類型信息CONSTANT_NameAndType_info常量在常量池中的索引序號(hào)。
我們Class字節(jié)碼中的#1是CONSTANT_Fieldref_info類型的類常量，它們的首位tag=0X0A(橘色列)，通過(guò)查找常量池中它指向的索引序號(hào)，我們可以得出這個(gè)方法的聲明類是java/lang/Object，方法的名稱是，類型是()V（即無(wú)入?yún)⒎祷豽oid類型的方法）。

#1          #4.#15         // java/lang/Object."":()V

至此我們得到了這個(gè)Class中的常量池中全部的常量的含義。這些常量將被下面的其他部分引用到。

access_flag(u2)：說(shuō)明這個(gè)類或接口的訪問(wèn)標(biāo)志，如private/public/interface/abstract/annotation/enum等，總之是說(shuō)明了這個(gè)類的特征。以不同的特征給出特征位的方式來(lái)設(shè)置這個(gè)u2大小的區(qū)域。
如本Class的0X0021實(shí)際代表了特征位信息是0000000000110001，即ACC_SUPER|ACC_PUBLIC，表示它是public的class（ACC_SUPER是JDK1.0.2后的默認(rèn)設(shè)置項(xiàng)）。

this_class(u2)：說(shuō)明本類的類索引，0X0003說(shuō)明本類索引在常量池中的序號(hào)為3，上面常量池的分析可以看到本類的全限定名是top/jinhaoplus/demo/Test。

super_class(u2)：說(shuō)明父類的類索引，0X0004說(shuō)明父類索引在常量池中的序號(hào)為4，上面常量池的分析可以看到父類的全限定名是java/lang/Object（這也就是所有Java類的父類都是Object的原因，即使沒(méi)有明確寫出來(lái)編譯后的Class文件中也會(huì)將這個(gè)父類聲明定義出來(lái)）。

4.4.1 interface_count(u2)：說(shuō)明實(shí)現(xiàn)的接口數(shù)量，0X0000說(shuō)明本類沒(méi)有實(shí)現(xiàn)接口，因此不再有接下來(lái)的interface信息。

4.4.2 interface(interface_count個(gè)u2)：說(shuō)明接口的類索引。

5.2.1 access_flag(u2)用以記錄字段的特征。

比如private/public/protected/static/final/volatile，以不同的特征給出特征位的方式來(lái)設(shè)置這個(gè)u2大小的區(qū)域。我們的Class中的0X0001（橙色列）實(shí)際代表了特征位信息是0000000000000001，即字段的特征是ACC_PUBLIC（public字段）。

5.2.2 name_index(u2)是字段名在常量池中的索引序號(hào)。

我們的Class中的0X0005（藍(lán)色列）指向的常量池中的#5號(hào)常量即m。

5.2.3 descriptor_index(u2)是字段描述符在常量池中的索引序號(hào)。

我們的Class中的0X0006（青色列）指向的常量池中的#6號(hào)常量即I。

5.2.4 字段的屬性表是本字段的屬性表：

5.2.4.1 attributes_count(u2)：字段屬性表的屬性數(shù)量，我們的Class中的0X0000表示本字段無(wú)額外的屬性表信息。

5.2.4.1 attributes(attributes_count個(gè)attribute_info)：字段屬性表的屬性信息，字段屬性有自己定義的結(jié)構(gòu)，字段中主要使用的屬性包括ConstantValue(final修飾的常量值作為字段的值)、Depreciated(@Depreciated修飾的字段表示棄用)、Signature(泛型參數(shù)記錄的泛型簽名信息，否則編譯后擦除類型就無(wú)法溯源了)等，他們都有各自定義的結(jié)構(gòu)。

method_count(u2)：方法數(shù)量
我們的Class這個(gè)區(qū)的0X0002表示這個(gè)類有兩個(gè)方法。

method_info(method_count個(gè)method_info)：方法信息，方法表的結(jié)構(gòu)如下：

6.2.1 access_flag(u2)用以記錄方法的特征。

比如private/public/protected/static/final/synchronized，以不同的特征給出特征位的方式來(lái)設(shè)置這個(gè)u2大小的區(qū)域。我們的Class中兩個(gè)方法的這個(gè)區(qū)域的0X0001（橙色列）實(shí)際代表了特征位信息是0000000000000001，即它們的特征都是ACC_PUBLIC（public方法）。

6.2.2 name_index(u2)是方法名在常量池中的索引序號(hào)。

我們的Class中，method_#1的0X0005（藍(lán)色列）指向的常量池中的#7號(hào)常量即，而。method_#2的0X000B（藍(lán)色列）指向的常量池中的#11號(hào)常量即inc。

6.2.3 descriptor_index(u2)是方法描述符在常量池中的索引序號(hào)。

我們的Class中，method_#1的0X0008（青色列）指向的常量池中的#8號(hào)常量即()V，而。method_#2的0X000C（青色列）指向的常量池中的#12號(hào)常量即()I。

6.2.4 字段的屬性表是該方法的屬性表：

6.2.4.1 attributes_count(u2)：方法屬性表的屬性數(shù)量。

6.2.4.2 attributes(attributes_count個(gè)attribute_info)：方法屬性表的屬性信息，方法屬性有自己定義的結(jié)構(gòu)，方法中主要使用的屬性包括最重要的Code(方法的字節(jié)碼指令，沒(méi)有方法執(zhí)行體的接口和抽象類是沒(méi)有這個(gè)屬性的)、Exceptions(聲明方法拋出的異常)、Depreciated(@Depreciated修飾的方法表示棄用)、Signature(泛型參數(shù)記錄的泛型簽名信息)等，他們都有各自定義的結(jié)構(gòu)。這里我們具體來(lái)看一下最重要的Code屬性。

a. attribute_name_index(u2)：屬性名在常量池中的索引序號(hào)，Code屬性最終找到的常量肯定是Code。

b. attribute_length(u4)：該屬性的長(zhǎng)度。

c. max_stack(u2)：該方法的操作數(shù)棧最大深度。

d. max_locals(u2)：該方法的局部變量表的大小。

e. code_length(u4)：字節(jié)碼指令的大小

f. code(exception_table_length個(gè)u1)：字節(jié)碼。

g. exception_table_length(u2)：異常表大小。

h. exception_table(exception_table_length個(gè)exception_info)：異常表大小。

i. attributes_count(u2)：方法屬性表的大小。

j. attributes(attribute_count個(gè)attribute_info)：方法屬性表。

接下來(lái)用我們Class的兩個(gè)方法來(lái)詳細(xì)說(shuō)明Code屬性：

method_#1方法：

i. attributes_count = 1

ii. attributes:

a. attribute_name_index：常量0X0009即Code。

b. attribute_length：29(0X0000001D)，即下一位起后的29u都是這個(gè)屬性。

c. max_stack：1(0X0001)。

d. max_locals：1(0X0001)。

e. code_length：5(0X00000005)。

f. code：0X2AB70001B1。（字節(jié)碼指令的具體含義鑒于與class結(jié)構(gòu)是相對(duì)獨(dú)立的主題不再詳述，后續(xù)會(huì)再多帶帶深入介紹）

g. exception_table_length：0(OX0000)。

h. exception_table：無(wú)。

i. attributes_count：1(0X0001)。

j. attributes：

attribute_name_index：LineNumberTable(0X000A)，說(shuō)明這是一個(gè)用于記錄源碼行號(hào)和字節(jié)碼行號(hào)映射的屬性表。

attribute_length：6(0X00000006).

attribute：LineNumberTable屬性表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

line_number_table_length：1(0X0001)。

line_number_index：0:3(0X00000003)。

method_#2方法的分析方式如上類似不再贅述。

乍一看來(lái)上面的結(jié)構(gòu)讓人很難快速理解，但是如果理解JVM的字節(jié)碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的就可以加深理解了。

JVM的字節(jié)碼結(jié)構(gòu)其實(shí)是一種由字節(jié)碼堆砌的表型結(jié)構(gòu)，充分定義占位的結(jié)構(gòu)可以無(wú)歧義地將它想要表達(dá)的原義還原回去。作為二進(jìn)制結(jié)構(gòu)主要的表達(dá)方式，只要定義好占位情況，表型結(jié)構(gòu)可以通過(guò)層層嵌套定義來(lái)實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、并且可以實(shí)現(xiàn)良好的拓展。

比如上面的介紹的方法信息通過(guò)方法數(shù)量定義了這個(gè)表的大小，而每個(gè)表entry內(nèi)部可以再有自己的定義，比如方法信息中還可以包含屬性表（即在方法表內(nèi)部再嵌套一層表），比如這里定義了Code屬性表，而Code屬性表自身又有良好的表結(jié)構(gòu)定義，這個(gè)表內(nèi)部除了一些一維的字段（比如index、count等不能拓展的字段）外，還有額外的exception_table，但是因?yàn)橛衑xception_table_length的表大小限制就可以無(wú)歧義地還原回去，此外還有attribute_info，但是因?yàn)橛衋ttribute_count的表大小限制也可以無(wú)歧義地還原回去。用下面的思維導(dǎo)圖我們可以直觀地看出來(lái)這種良好的定義，圖中加入了每個(gè)一維節(jié)點(diǎn)的占位大小：