1 起源
- 起源：《Java虚拟机 JVM故障诊断与性能优化》——葛一鸣
- 章节：第九章
本文是第九章的一些笔记整顿。
2 概述
本文次要介绍了Class文件的次要组成，包含魔数、版本号、常量池、拜访标记等。
3 Class文件概览
依据JVM标准，一个Class文件能够十分谨严地形容为：
ClassFile{
u4 magic;
u2 minor_version;
u2 major_version;
u2 constant_pool_count;
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
u2 access_flags;
u2 this_class;
u2 super_class;
u2 interfaces_count;
u2 interfaces[interfaces_count];
u2 fields_count;
field_info fields[fields_count];
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}上面会按程序具体介绍外面的各个字段。
4 魔数
魔数（Magic Number）作为Class的标记，用来通知JVM这是一个Class文件，魔数是一个4字节的无符号整数，固定为0xCAFEBABE。如果一个Class文件不以0xCAFEBABE结尾，那么会抛出如下谬误：
Linux下能够间接应用vim关上class文件进行查看，比方须要关上一个Test.class文件，能够输出如下命令：
vim -b Test.class
:%!xxd切换到十六进制后就能够看到魔数了：
5 版本
魔数前面紧跟着Class的小版本和大版本号，这示意以后Class文件是由哪个版本的编译期产生的。小版本和大版本后都是占用两个字节，比方下图：
0000是小版本号0037是大版本号，十进制为55，也就是对应JDK 11版本的编译期
6 常量池
在版本号前面，紧跟着就是常量池的数量以及若干个常量池表项：
其中每一个常量池表项都具备标签属性：
对应关系举例如下：
tag为3：类型为CONSTANT_Integertag为4：类型为CONSTANT_Float
等等，比方CONSTANT_Integer构造如下：
CONSTANT_Integer_info {
u1 tag;
u4 bytes;
}一个tag加上一个四字节的无符号整数。其余类型大部分相似，篇幅限度，具体请看JVM标准。
7 拜访标记
拜访标记应用两个字节示意，用于表明该类的访问信息，比方public/abstract等，对应关系如下：
ACC_PUBLIC：0x0001，示意public类ACC_FINAL：0x0010，示意是否为final类ACC_SUPER：0x0020，示意应用加强的办法调用父类的办法ACC_INTERFACE：0x0200，示意是否为接口ACC_ABSTRACT：0x0400，示意是否为抽象类ACC_SYNTHETIC：0x1000，由编译期产生的类，没有源码对应ACC_ANNOTATION：0x2000，示意是否是正文ACC_ENUM：0x4000，示意是否为枚举
8 以后类、父类和接口
格局如下：
u2 this_class;
u2 super_class;
u2 interfaces_count;
u2 interfaces[interfaces_count];其中this_class与super_class都是两个字节的无符号整数，指向常量池中的一个CONSTANT_Class，示意以后的类型以及父类。另外，因为一个类能够实现多个接口，因而须要以数组模式保留多个接口的索引，如果没有实现任何接口，则interfaces_count为0。
9 字段
字段的格局如下：
u2 fields_count;
field_info fields[fields_count];fields_count是一个2字节的无符号整数，字段数量之后是具体的字段信息，每个字段都是一个field_info的构造，如下所示：
field_info {
u2 access_flags; //拜访标记，相似于类的拜访标记，能够示意public/private/static等等
u2 name_index; //两字节整数，指向常量池中的CONSTANT_Utf8
u2 descriptor_index; //也是两字节整数，用于形容字段类型，也指向常量池中的CONSTANT_Utf8
u2 attributes_count; //属性数量
attribute_info attributes[attributes_count]; //属性，比方存储初始化值，一些正文信息等，须要应用attribute_info
}
attribute_info {
u2 attribute_name_index; //属性名字，指向常量池的索引
u4 attribute_length; //属性长度
u1 info[attribute_length]; //字节数组示意的信息
}10 办法
10.1 办法根本构造
办法的格局如下：
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];其中每一个method_info构造示意一个办法：
method_info {
u2 access_flags; //拜访标记，标记办法为public/private等等
u2 name_index; //办法名称，一个指向常量池的索引
u2 descriptor_index; //办法描述符，也是一个指向常量符的索引
u2 attributes_count; //属性数量
attribute_info attributes[attributes_count]; //属性，和字段相似，办法也能够携带属性，一个属性数量+一个属性形容数组
}10.2 Code属性
办法的次要内容寄存在属性中，在属性外面最重要的一个属性就是Code，Code寄存着办法的字节码等信息，构造如下：
Code_attribute {
u2 attribute_name_index; //属性名称，指向常量池的索引
u4 attribute_length; //属性长度，不包含前6字节（u2+u4）
u2 max_stack; //操作数栈最大深度
u2 max_locals; //局部变量表的最大值
u4 code_length; //字节码长度
u1 code[code_length]; //字节码内容自身
u2 exception_table_length; //异样处理表长度
{ u2 start_pc; //四个字段示意在start_pc到end_pc两个偏移量之间
u2 end_pc; //如果遇到了catch_type指向的异样
u2 handler_pc; //代码就跳转到handler_pc地位执行
u2 catch_type;
} exception_table[exception_table_length]; //异样表
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}Code属性自身也蕴含其余属性以进一步存储一些额定信息，次要包含：
LineNumberTableLocalVariableTableStackMapTable
10.2.1 LineNumberTable
LineNumberTable用于记录字节码偏移量和行号的对应关系，构造如下：
LineNumberTable_attribute {
u2 attribute_name_index; //指向常量池的索引
u4 attribute_length; //属性长度
u2 line_number_table_length; //表项记录条数
{ u2 start_pc; //字节码偏移量
u2 line_number; //字节码偏移量对应的行号
} line_number_table[line_number_table_length]; //表数组，每一个元素对应的是一个<start_pc,line_number>元组
}10.2.2 LocalVariableTable
这个属性也叫局部变量表，记录了一个办法中所有的局部变量，构造如下：
LocalVariableTable_attribute {
u2 attribute_name_index; //以后属性名字，指向常量池的索引
u4 attribute_length; //属性长度
u2 local_variable_table_length; //局部变量表的表项条目
{ u2 start_pc; //以后局部变量开始地位
u2 length; //以后局部变量长度（可用于计算完结地位）
u2 name_index; //局部变量名称，指向常量池的索引
u2 descriptor_index; //局部变量的类型形容，指向常量池的索引
u2 index; //局部变量在以后栈帧的局部变量表中的槽位
} local_variable_table[local_variable_table_length];
}10.2.3 StackMapTable
StackMapTable中含有若干个栈映射帧（Stack Map Frame）的数据，不蕴含运行时所须要的信息，仅用作Class文件的类型校验，构造如下：
StackMapTable_attribute {
u2 attribute_name_index; //常量池索引，恒为"StackMapTable"
u4 attribute_length; //属性长度
u2 number_of_entries; //栈映射帧的数量
stack_map_frame entries[number_of_entries]; //具体的栈映射帧
}
union stack_map_frame { //每个栈映射帧被定义为一个枚举值，取值如下
same_frame; //具体每个取值的意义能够查看JVM标准
same_locals_1_stack_item_frame; //https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se11/html/jvms-4.html#jvms-4.7.4
same_locals_1_stack_item_frame_extended;
chop_frame;
same_frame_extended;
append_frame;
full_frame;
}每个栈映射帧是为了阐明在一个特定的字节码偏移地位上，零碎的数据类型是什么，包含局部变量表的类型和操作数栈的类型。
11 附录：ASM简略应用
ASM是一个Java字节码操作库，很多驰名的库都依赖于该库，比方AspectJ、CGLIB等等。然而ASM的性能远远超过CGLIB等高层字节码库，因为ASM更加靠近底层，应用更为灵便且性能更为弱小。
上面是一个简略的应用ASM输入Hello World的例子：
package com.company;
import org.objectweb.asm.ClassWriter;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;
public class Main extends ClassLoader implements Opcodes {
public static void main(String[] args) throws Exception{
//创立ClassWriter，指定COMPUTE_MAXS和COMPUTE_FRAMES，别离示意计算最大局部变量表以及最深操作数栈
ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS | ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
//通过ClassWriter设置类的根本信息，比方public拜访标记，类名为Example
cw.visit(V11,ACC_PUBLIC,"Example",null,"java/lang/Object",null);
//生成Example的构造方法
MethodVisitor mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC ,"<init>","()V",null,null);
mw.visitVarInsn(ALOAD,0);
mw.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL,"java/lang/Object","<init>","()V",false);
mw.visitInsn(RETURN);
mw.visitMaxs(0,0);
mw.visitEnd();
//生成public static void main(String []args)办法，并生成了main()办法的字节码
//要求运行时调用System.out.println()，并输入"Hello world"：
mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC+ACC_STATIC,"main","([Ljava/lang/String;)V",null,null);
mw.visitFieldInsn(GETSTATIC,"java/lang/System","out","Ljava/io/PrintStream;");
mw.visitLdcInsn("Hello world!");
mw.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL,"java/io/PrintStream","println","(Ljava/lang/String;)V",false);
mw.visitInsn(RETURN);
mw.visitMaxs(0,0);
mw.visitEnd();
//获取二进制示意
byte[] code = cw.toByteArray();
Main m = new Main();
//将class文件载入零碎，通过反射调用`main()`办法，输入后果
Class<?> mainClass = m.defineClass("Example",code,0,code.length);
mainClass.getMethods()[0].invoke(null, new Object[]{null});
}
}
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