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一.程序存儲(chǔ)格式

• 統(tǒng)一的程序存儲(chǔ)格式：不同平臺(tái)的虛擬機(jī)于所有平臺(tái)都統(tǒng)一使用程序存儲(chǔ)格式——字節(jié)碼（ByteCode);
• Java 虛擬機(jī)不關(guān)心 Class 文件的來(lái)源，而只和“Class文件"這種二進(jìn)制文件格式關(guān)聯(lián)，也就是說(shuō)Java虛擬機(jī)只認(rèn)識(shí)“Class"文件；
• Java 編譯器可以把 Java 程序代碼編譯成虛擬機(jī)所需要的Class 文件；

二.Class 文件結(jié)構(gòu)

Class 文件是以 8 個(gè)字節(jié)為單位的二進(jìn)制流，緊湊排列，中間沒(méi)有空隙；如果想查看一個(gè) Class 文件除了通過(guò) winHex 編譯器看到字節(jié)碼，也可以通過(guò) javap -verbose xxx.Class 輸出字節(jié)碼內(nèi)容,這樣看起來(lái)比較直觀。
1、基本類型
無(wú)符號(hào)數(shù)：

• 定義：基本的數(shù)據(jù)類型，u1、u8表示1個(gè)字節(jié)，8個(gè)字節(jié)。
• 使用：可以用來(lái)描述數(shù)字、索引、引用，utf-8格式的字符串；

表：

• 定義：多個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)和其他表組成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型；通常以“_info” 結(jié)尾。
• 使用：描述有層次關(guān)系的復(fù)合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；

2、魔數(shù)與版本

• 魔數(shù)：每個(gè)Class文件的頭4個(gè)字節(jié)，唯一作用就是確定這個(gè)文件是否能被一個(gè)虛擬機(jī)接受的Class文件；
• 次版本號(hào)：緊接著魔數(shù)后面的第5和第6個(gè)字節(jié)；
• 主版本號(hào)：第7和第8個(gè)字節(jié)代表主版本號(hào)，比如說(shuō)50對(duì)應(yīng)的就是JDK1.6.
• 可以使用十六進(jìn)制編譯器WinHex打開(kāi)一個(gè)Class文件瞅瞅；

3、常量池
　　版本號(hào)之后緊跟的就是常量池入口，可以理解為Class文件之中的資源倉(cāng)庫(kù)；

• 常量池容量計(jì)數(shù)器：u2類型，代表本Class文件有N-1個(gè)常量（因?yàn)槭菑?開(kāi)始技術(shù)的）；

1. 0項(xiàng)常量：不引用任何一個(gè)常量池項(xiàng)目

• 常量池放置的內(nèi)容每一項(xiàng)都是一個(gè)表，主要分兩類

1. 字面量：文本字符串、final常量值等；
2. 符號(hào)引用
   • 類和接口的全限定名
   • 字段的名稱和描述符
   • 方法的名稱和描述符

• length：

1. 定義：UTF-8編碼的字符串長(zhǎng)度是多少個(gè)字節(jié)；
2. 65535限制：Class文件中方法、字段等都需要引用CONSTANT_ Utf8_ info型常量的length為u2類型，最大為65535.如果某個(gè)變量或者方法名超過(guò)了64K，那么這個(gè)length容不下了，當(dāng)然也就無(wú)法編譯了。

4、訪問(wèn)標(biāo)志(access_flags)

• 常量池之后緊跟的就是訪問(wèn)標(biāo)志。主要包括了這個(gè)Class是類or接口，是不是 public,是不是 abstract 類型，是不是 final 類型。

5、類索引、父類索引和接口類集合

• java.lang.Object類索引為0；
• 類的索引其實(shí)就是描述了這個(gè)Class的extends和implements的關(guān)系；

6、字段表集合(field_info)

• 用于描述定義的變量，依次包括了訪問(wèn)標(biāo)志（access_ flags)、名稱索引（name_ index)、描述索引（descriptor_ index)、屬性表集合（attributes)。
• 描述的信息如下：

1. 1. 作用域：public、private、protect
   2. 實(shí)例or類變量：static
   3. 可變性：final
   4. 并發(fā)可見(jiàn)性：volatile
   5. 是否可序列化：transient
   6. 字段數(shù)據(jù)類型：基本類型、對(duì)象、數(shù)組等
   7. 字段名稱；

• 字段表集合原則

1. 1. 1、不會(huì)列出超類or父類或者父接口繼承而來(lái)的字段；
   2. 2、有可能列出原本Java代碼中不存在的字段（內(nèi)部類會(huì)自動(dòng)添加指向外部類實(shí)例的字段，才能引用到外部類）；
   3. 3、Java語(yǔ)言中字段是無(wú)法重載的；

7、方法表集合
和字段表集合差不多，方法表集合用來(lái)描述Class文件中的方法，但是訪問(wèn)標(biāo)志和屬性表集合和字段表集合有所區(qū)別；

• 訪問(wèn)標(biāo)志：
  • volatile、transient關(guān)鍵字不可以修飾方法，方法表中少了這兩種標(biāo)志；
  • synchronized、native、strictfp和abstract可以修復(fù)方法，故方法表增加了這些對(duì)應(yīng)的標(biāo)志；
• Code屬性：
  • 方法體中的代碼放在了“Code”屬性里面了；
• 方法表集合原則
  • 方法沒(méi)有重寫(xiě)（Override)，父類的信息不會(huì)寫(xiě)到子類的方法表中；
  • 編譯器有可能自動(dòng)添加一些方法，典型的如類構(gòu)造器的“< clinit >”、方法&實(shí)例構(gòu)造器的“< init >“方法；
  • 重載（Overload)一個(gè)方法，需要添加一個(gè)特征簽名，特征簽名就是一個(gè)方法中各個(gè)參數(shù)在常量池中的字段符號(hào)引用的集合；

8、屬性表集合（attribute_info)
上述那些表需要攜帶自己的某些屬性，來(lái)描述自己的特殊環(huán)境信息，比如InnderClasses、LineNumberTable、Code 之類的；

• Code （用語(yǔ)描述代碼）
  • max_stack:操作棧深度最大值，JVM 運(yùn)行時(shí)根據(jù)這個(gè)值來(lái)分配棧幀（Stack Frame)中的操作棧深度；
  • max_locals:代表了局部變量表所需要的存儲(chǔ)空間。
    • Slot:虛擬機(jī)為局部變量分配內(nèi)存的最小單位
      • byte、char、float、int、short、boolean、returnAddress 長(zhǎng)度少于32位，占1個(gè)slot
      • double、long 64位，占2個(gè)slot
    • 當(dāng)代碼超出一個(gè)局部變量的作用域時(shí)，這個(gè)局部變量所占用的 slot 可以被其他的局部變量所使用
  • code_length:字節(jié)碼長(zhǎng)度
  • code:存儲(chǔ)字節(jié)碼指令
  • 65535限制：虛擬機(jī)規(guī)定了一個(gè)方法不允許超過(guò) 65535 條字節(jié)碼，否則編譯不通過(guò)；
  • 執(zhí)行：執(zhí)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)交換、方法調(diào)用等操作都是基于棧（操作棧）的；
  • this關(guān)鍵字：在實(shí)例方法中通常可以有個(gè) this 關(guān)鍵字來(lái)引用當(dāng)前對(duì)象的變量，這是因?yàn)?Java 編譯時(shí)在局部變量表中自動(dòng)增加了這個(gè)（this)局部變量。
• LineNumberTable：描述 Java 的源碼行號(hào)和字節(jié)碼行號(hào)；
• LocalVariableTable:描述局部變量表中的變量與Java源碼中定義的變量之間的關(guān)系；

三.字節(jié)碼指令
1、字節(jié)碼組成

• 操作碼（Opcode）:i（助記符）代表int類型數(shù)據(jù)操作....等等；
• 操作數(shù) (Operands)：永遠(yuǎn)都是一個(gè)數(shù)組類型的對(duì)象；

Java虛擬機(jī)采用面向操作數(shù)棧而不是寄存器的架構(gòu)，字節(jié)碼指令集是一種指令集架構(gòu)。放棄了操作數(shù)對(duì)齊，省略了填充的符號(hào)和間隔。
2、加載和存儲(chǔ)指令
將數(shù)據(jù)在幀棧中將局部變量表和操作數(shù)棧之間來(lái)回傳輸。

• 將一個(gè)局部變量加載到操作棧；
• 將一個(gè)數(shù)值從操作數(shù)棧存儲(chǔ)到局部變量表；
• 將一個(gè)常量加載到操作數(shù)棧；
• 擴(kuò)充局部變量表的訪問(wèn)索引的指令；

3、運(yùn)算指令

• 將兩個(gè)操作數(shù)棧上的值進(jìn)行某種特定運(yùn)算，并把結(jié)果重新存入到操作棧頂；
• Java沒(méi)有直接支持byte、short、char、boolean類型，都轉(zhuǎn)為int類型進(jìn)行運(yùn)算，使用int的指令代替；

4、類型轉(zhuǎn)換指令

• 寬化轉(zhuǎn)換
  • int到long、float、double
  • long到float、double
  • float到double
• 窄化轉(zhuǎn)換
  • 必須顯示的聲明轉(zhuǎn)換
  • 有溢出或者丟精的情況，但不會(huì)拋出異常

5、同步指令

• Java虛擬機(jī)支持方法級(jí)同步和方法內(nèi)部一段指令序列同步，這兩種同步都是通過(guò)“管程”來(lái)支持；
• 執(zhí)行線程就要求先成功持有“管程”，然后才能執(zhí)行方法，最后方法執(zhí)行完成后，才釋放“管程”。
• Java虛擬機(jī)通過(guò) monitorenter 和 monitorexit兩個(gè)指令配對(duì)使用，另外編譯器會(huì)自動(dòng)增加一個(gè)異常處理器。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，這個(gè)異常處理器能夠捕獲到所有的異常，并且釋放“管程”，monitorexit 指令響應(yīng)。這樣的話，保證了 monitorenter 和monitorexit 總是成對(duì)出現(xiàn)的。

 三.代碼舉例

1、Java文件：

 1 package com.xxx.ccc;
 2 public final class InitConfig {
 3     public static final InitConfig BFCACCOUNT = new InitConfig(0, "aaa", "AAA");
 4     private int mIndex;
 5     private String mData;
 6     private String mDescribe;
 7     private InitConfig(int indexFlag, String data, String describe) {
 8         this.mIndex = indexFlag;
 9         this.mData = data;
10         this.mDescribe = describe;
11     }
12     public String getmData() {
13         return this.mData;
14     }

2、Class 文件：

 1 Last modified 2017-7-4; size 1050 bytes
 2 MD5 checksum 2beb0c10f91b793c3570edcf2d1eff78
 3 Compiled from "InitConfig.java"
 4 public final class com.xxx.xxx.InitConfig
 5 minor version: 0  //次版本號(hào)
 6 major version: 51 //主版本號(hào)
 7 flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER  //訪問(wèn)標(biāo)志
 8 Constant pool: //常量池
 9  #1 = Methodref          #14.#41        // java/lang/Object."<init>":()V
10  #2 = Fieldref           #5.#42         // com/xxx/xxx/InitConfig.mIndex:I
11  #6 = Class              #46            // com/xxx/xxx/common/constant/ConstData
12  #7 = String             #47            // aaa
13  #23 = Utf8               <init>
14  #24 = Utf8               (ILjava/lang/String;Ljava/lang/String;)V
15  #25 = Utf8               Code
16  #26 = Utf8               LineNumberTable  //Java的源碼行號(hào)和字節(jié)碼行號(hào)
17  #27 = Utf8               LocalVariableTable //局部變量表中的變量與Java源碼中定義的變量之間的關(guān)系
18  #28 = Utf8               this
19  #32 = Utf8               getmData
20  #33 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
21  #37 = Utf8               <clinit>
22  #38 = Utf8               ()V
23  #40 = Utf8               InitConfig.java
24  #41 = NameAndType        #23:#38        // "<init>":()V
25  #45 = Utf8               com/xxx/xxx/InitConfig
26  #46 = Utf8               com/xxx/xxx/common/constant/ConstData
27  #53 = NameAndType        #17:#16        // SEAACCOUNT:Lcom/xxx/ccc/InitConfig;
28  #54 = Utf8               java/lang/Object
29 public static final com.xxx.xxx BFCACCOUNT;
30     descriptor: Lcom/xxx/xxx/InitConfig;
31     flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL 
32 public java.lang.String getmData();
33     descriptor: ()Ljava/lang/String;
34     flags: ACC_PUBLIC
35     Code:
36          stack=1, locals=1, args_size=1
37             0: aload_0
38             1: getfield      #3                  // Field mData:Ljava/lang/String;
39          4: areturn
40           LineNumberTable: //Java的源碼行號(hào)和字節(jié)碼行號(hào)
41             line 36: 0
42           LocalVariableTable: //局部變量表中的變量與Java源碼中定義的變量之間的關(guān)系
43             Start  Length  Slot  Name   Signature
44                0       5     0   this   Lcom/xxx/xxx/InitConfig;  //方法里面默認(rèn)增加了個(gè)this

四.小結(jié)

　　為什么說(shuō)一些”非Java"語(yǔ)言也是可以在 JVM 上跑，這是因?yàn)?JVM 只認(rèn)識(shí) Class 文件，所以如果某某語(yǔ)言最終編譯出的文件是 Class 文件，那么對(duì)于 JVM 來(lái)說(shuō)沒(méi)有什么區(qū)別，但是得按照 Class 文件的結(jié)構(gòu)來(lái)，不然也無(wú)法正常執(zhí)行。Class 定義了許多特定的基本類型和表結(jié)構(gòu)，通過(guò)魔數(shù)讓 JVM 認(rèn)識(shí)該文件，版本號(hào)保證可以在要求的 JDK 版本上運(yùn)行，在常量池中定義好常量，訪問(wèn)標(biāo)志位確定訪問(wèn)權(quán)限。索引集合方便與外界的 class 保持聯(lián)系，字段表保存我們定義好的變量，方法表存儲(chǔ)方法的信息，屬性表存儲(chǔ)了上述各種表的一些屬性。其中記住 slot為局部變量分配內(nèi)存的最小單位，當(dāng)程序超出作用域的時(shí)候，slot 可以被其他替換使用。到這里，僅僅是代碼最靜態(tài)的存儲(chǔ)的格式，程序要運(yùn)行起來(lái)。還需要操作指令，也是由字節(jié)碼存儲(chǔ)，包括操作碼和操作數(shù)。有加載存儲(chǔ)、運(yùn)算、類型轉(zhuǎn)換、同步指令。