虚拟机执行子系统

一、类文件结构

1.魔数和class版本

　　1.magic-魔数：0xCAFEBABE；4字节

　　2.minor_version：次版本，丶之后的数字；2字节

　　3.major_version：主版本，丶之前的数字；2字节

2.常量池

　　1.constant_pool_count：常量池常量数量（= 此值 - 1）：2字节

　　　　由于常量池中常量的数量是不固定的，所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的数据，代表常量池容量计数值。

　　2.constant_pool：常量，第一位为类型位，之后的就是按照各自常量的定义：n字节

3.访问标识符

 　　1.access_flags：访问标识

 　　　　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。

　　　　如：0x0001 0x0020说明是一个公共的类

4.类索引、父类索引、接口索引：Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系

　　1.this_class：类索引：2字节

　　　　类索引用于确定这个类的全限定名

　　2.super_class：父类索引：2字节

　　　　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

　　3.interfaces：接口索引：2字节数组　　　

　　　　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（如果这个类本身是一个接口，则应当是extends语句）后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中

　　　　接口索引开头为数量：2字节

　　查找：

　　　　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

5.字段表集合 

可以包括的信息有：

　　字段的作用域（public、private、protected修饰 符）、是实例变量还是类变量（static修饰符）、可变性（final）、并发可见性（volatile修饰 符，是否强制从主内存读写）、可否被序列化（transient修饰符）、字段数据类型（基本类型、对象、数组）、字段名称。上述这些信息中，各个修饰符都是布尔值，要么有某个修饰符，要么没有，很适合使用标志位来表示。

　　字段名、字段数据类型，这些都是无法固定的，只能引用常量池中的常量来描述

　　1.access_flags：字段访问标识：u2

　　2.name_index：字段简单名称:u2

　　　　引用常量池常量

　　3.descriptor_index：方法描叙符：u2

　　　　描叙字段：字段类型

　　　　描叙方法：(参数列表)描叙符

　　　　引用常量池常量

 6.方法表集合

7.class、字段、方法等的属性表

　　预定义的有21种，每种都有自己的结构

　　1.Code属性

　　　　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，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（StackFrame）中的操作栈深度。

　　　　max_locals代表了局部变量表所需的存储空间。

　　　　code_length和code用来存储Java源程序编译后生成的字节码指令。

　　　　code：字节码

　　　　exception：异常表

　　　　　　如果当字节码在第start_pc行[1]到第end_pc行之间（不含第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

//Java源码
public int inc（）{
    int x；
    try{
        x=1；
        return x；
    }catch（Exception e）{
        x=2；
        return x；
    }finally{
        x=3；
    }
}/

/编译后的ByteCode字节码及异常表
public int inc（）；
Code：
Stack=1，Locals=5，Args_size=1
0：iconst_1//try块中的x=1
1：istore_1
2：iload_1//保存x到returnValue中，此时x=1
3：istore 4
5：iconst_3//finaly块中的x=3
6：istore_1
7：iload 4//将returnValue中的值放到栈顶，准备给ireturn返回
9：ireturn
10：astore_2//给catch中定义的Exception e赋值，存储在Slot 2中
11：iconst_2//catch块中的x=2
12：istore_1
13：iload_1//保存x到returnValue中，此时x=2
14：istore 4
16：iconst_3//finaly块中的x=3
17：istore_1
18：iload 4//将returnValue中的值放到栈顶，准备给ireturn返回
20：ireturn
21：astore_3//如果出现了不属于java.lang.Exception及其子类的异常才会走到这里
22：iconst_3//finaly块中的x=3
23：istore_1
24：aload_3//将异常放置到栈顶，并抛出
25：athrow
Exception table：
from to target type
0 5 10 Class java/lang/Exception
0 5 21 any
10 16 21 any            

　　　　　　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异常及finally处理机制

　　2.Exception属性

　　　　方法的异常

　　　　number_of_exceptions项表示方法可能抛出number_of_exceptions种受查异常

　　　　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

　　3.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

　　4.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会丢失，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

　　5.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

　　6.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。

　　　　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：

　　　　　　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

　　 7.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

　　 8.Deprecated及Synthetic属性

　　　　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，

　　 9.StackMapTable属性

　　　　字节码验证

　　10.Signature属性

 　　　　泛型被擦出后，获取泛型信息

　　11.BootstrapMethods属性

　　　　BootstrapMethods属性在JDK 1.7发布后增加到了Class文件规范之中，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。

 8.字节码指令简介

　　1.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（见第2章关于内存区域的介绍）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_＜n＞、lload、lload_＜n＞、fload、fload_＜n＞、dload、dload_＜n＞、aload、aload_＜n＞。

　　　　将一个数值从操作数栈存储到局部变量表：istore、istore_＜n＞、lstore、lstore_＜n＞、fstore、fstore_＜n＞、dstore、dstore_＜n＞、astore、astore_＜n＞。

　　　　将一个常量加载到操作数栈：bipush、sipush、ldc、ldc_w、ldc2_w、aconst_null、iconst_m1、iconst_＜i＞、lconst_＜l＞、fconst_＜f＞、dconst_＜d＞。

　　　　扩充局部变量表的访问索引的指令：wide。

　　2.运算指令

　　　　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。

 　　3.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（Widening Numeric 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。
　　　　处理窄化类型转换（Narrowing Numeric Conversions）

　　　　　　这些转换指令包括：i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l和d2f。

 　　4.对象访问与创建

　　　　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、faload、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。

　　　　取数组长度的指令：arraylength。

　　　　检查类实例类型的指令：instanceof、checkcast。

　　5.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

　　6.控制转移指令

　　　　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。

　　7.方法调用和返回

　　　　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，

　　　　invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。方法调用指令与数据类型无关，而方法返回指令是根据返回值的类型区分的，包括ireturn（当返回值是boolean、byte、char、short和int类型时使用）、lreturn、freturn、dreturn和areturn，另外还有一条return指令供声明为void的方法、实例初始化方法以及类和接口的类初始化方法使用

　　8.异常处理指令

　　　　在Java程序中显式抛出异常的操作（throw语句）都由athrow指令来实现

　　　　除了用throw语句显式抛出异常情况之外，Java虚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抛出。

　　　　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指令中抛出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），而是采用异常表来完成的。

　　9.同步指令

　　　　同步一段指令集序列通常是由Java语言中的synchronized语句块来表示的

　　　　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

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

// 指令码
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        

深入了解Java虚拟机（3）类文件结构