深入理解JAVA虚拟机第三部分.虚拟机执行子系统.1.类文件结构

Posted 2021-02-07 翔鹤岭

无关性

无关性的体现有两个方面：

　　1、平台无关性：可在不同的操作系统和机器指令集上执行，可在不同厂商的虚拟机平台上执行。

　　2、语言无关性：用不同编程语言写出的代码编译生成的文件都可以运行。

实现思想：

　　面向接口，定义虚拟机和编译器之间的接口规范。也就是编译后文件的存储格式——字节码（ByteCode）。

 

任意一种编程语言，只要生成符合存储格式规范的Class文件，就可以被任意虚拟机执行。

 

 

Class文件结构

Class文件结构是在《Java虚拟机规范》中定义的。

Class文件的存储结构类似于C语言的struct。

Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件之中，中间没有添加任何分隔符，这使得整个Class文件中存储的内容几乎全部是程序运行的必要数据，没有空隙存在。 当遇到需要占用8位字节以上空间的数据项时，则会按照高位在前[1]的方式分割成若干个8位字节进行存储。
Class文件中只有两种类型：无符号数和表。表是无符号数和表表的集合。

 

 

Magic Number : 每个Class文件的头4个字节称为魔数（Magic Number），它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。 固定为 0xCAFEBABE

第5和第6个字节是次版本号（Minor Version），第7和第8个字节是主版本号（Major Version） 

常量池（constant_pool） 主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References）。
　　字面量比较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、 声明为final的常量值等。

　　符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了下面三类常量：类和接口的全限定名（Fully Qualified Name），字段的名称和描述符（Descriptor），方法的名称和描述符

　　访问标志（access_flags） 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。  类索引（this_class）和父类索引（super_class） 接口索引集合（interfaces） 字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量。

　　方法表集合 (methods)

　　属性表（attribute_info） 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。

 

Code属性

首先，这是一个属性，位于属性表里面。

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。 

字节码指令

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。

单字节的优势：短小精悍，存储小，传输快。缺点：解析慢，扩展少。

在Java虚拟机的指令集中，大多数的指令都包含了其操作所对应的数据类型信息。  如：iload,fload,dload。

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

 

操作类型：加载和存储指令 ，运算指令 ，类型转换指令 ，对象创建与访问指令 ，操作数栈管理指令 ，控制转移指令 ，方法调用和返回指令 ，异常处理指令 ，同步指令 。

一个字节码指令的例子：

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

　编译后生成的字节码：

Method void onlyMe（Foo）
0 aload_1//将对象f入栈
1 dup//复制栈顶元素（即f的引用）
2 astore_2//将栈顶元素存储到局部变量表Slot 2中
3 monitorenter//以栈顶元素（即f）作为锁，开始同步
4 aload_0//将局部变量Slot 0（即this指针）的元素入栈
5 invokevirtual#5//调用doSomething（）方法
8 aload_2//将局部变量Slow 2的元素（即f）入栈
9 monitorexit//退出同步
10 goto 18//方法正常结束，跳转到18返回
13 astore_3//从这步开始是异常路径，见下面异常表的Taget 13
14 aload_2//将局部变量Slow 2的元素（即f）入栈
15 monitorexit//退出同步
16 aload_3//将局部变量Slow 3的元素（即异常对象）入栈
17 athrow//把异常对象重新抛出给onlyMe（）方法的调用者
18 return//方法正常返回
Exception table：
FromTo Target Type
4 10 13 any
13 16 13 any

　

是不是很像汇编？ 这样理解也应该可以：字节码就是虚拟机上的汇编语言。

 

再总结一下

class文件格式，是在JVM虚拟机和各种语言编译器之间的接口。

只要符合这个接口规范，任何语言的任何编译器，编出来的class文件，都可以在任何JVM虚拟机上运行。

 

Class文件分两部分：1、元数据，2、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。

 

虚拟机实现的方式主要有以下两种：
将输入的Java虚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。　　　　　-- 好处：适应于各种硬件环境。
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）。  -- 好处：提升热点函数的执行速度。  HotSpot的命名即来于此。