Java 如何执行字节码?一文解析!

Windows 操作系统上编译的 Java 程序，不经过修改就能够直接在 Linux 操作系统上运行；与之对比的是 C 语言，在 Linux 平台编译的 C 程序，一般情况下如果不进行特殊的转换，那么是不能在 Windows 操作系统上运行的。

要了解 Java 是如何实现这一目标的，我们需要对 Java实际的运行做一个简单的介绍。首先 Java 的源程序的扩展名是.java，经过编译程序编译之后生成扩展为.class 的字节码文件。

本文分析class文件的格式，描述 Java 如何执行字节码，并通过 ASM 工具动态生成属性访问工具类，它类似 ReflectASM，是一个高性能反射处理工具。

一、基础知识：

在.class 文件中，类名使用的都是全限定名，并且其表示方式与源文件中的方式不一致，比如 java.lang.String 在 String.class 中的表示方式就是 java/lang/String。

Java 虚拟机的操作基于两种数据类型：基本类型和引用类型。

1.基本类型：包括数字类型、boolean 类型和 returnAddress，其中 returnAddress 在 Java 语言中没有对应类型。

2.引用类型：包括 class、array、interface，引用类型是与实例关联的。这些类型在.class 文件中有不同的描述，如下表所示。

引用类型举例，如下表所示。

方法的描述是参数类型描述与返回类型描述的组合，参数类型描述在一对()之间，后边紧跟返回类型的描述。我们以 java.lang.Object 与 java.lang.String 中的几个方法举例，如下表所示。

二、.class文件的格式

.class 文件的格式（类似 C 语言）如下：

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];
}

classFile 是二进制字节流，以 8 位二进制数据为基础构成，虽然可以区分一个个数据项，但其结构是按顺序线性排列的，各个数据项中间没有其他的分隔符。

在 class 文件的结构中，只有两种数据类型：无符号数和表。其中 u1、u2、u4 分别代表无符号 1 个字节、2 个字节、4 个字节，而且其多字节的排列是“大端法”，即高位字节在低位。 “表”是由多个无符号数或其他表项构成的，比如 cp_info 表示的就是常量池表。

1.Magic：魔数，4 个字节，固定为 0xCAFEBABE。

2.minor_version、major_version：分别占 2 个字节，表示子版本号和主版本号，用于 Java 虚拟机识别是否支持该.class 文件，以及是否支持新特性等。

3.constant_pool_count：2 个字节，其表示的值为常量池的实际大小+1。

4.constant_pool[]：常量池，其中包含各种格式的常量，包括类的全限定名、字段名称和描述符、方法名称和描述符等，其通用格式为 cp_info{u1 tag;u1 info[]}，由于篇幅有限，不再详细展开介绍常量池结构。我们知道 Java 类的所有常量、类名、方法名等字符串都存放在常量池中。

5.access_flags：2 个字节，表示该类或接口的访问标志，比如 ACC_PUBLIC（值为 0x0001）表示 public，ACC_FINAL 表示 final（值为 0x0010），因此 0x0011 表示 final public。

6.this_class：2 个字节，表示当前类，其值为常量池中的索引，该位置所表示的常量类型必须为 0x07，即 class 类型。

7.super_class：2 个字节，表示当前类的直接父类，其值为常量池中的索引。该位置所表示的常量类型必须为 0x07，即 class 类型，当然在 Object 类的.class 文件中，该值为 0x0000。

8.interfaces_count：2 个字节，表示当前类或接口直接实现的接口的数量。

9.interfaces[]：表示直接实现的接口，其值为常量池中索引的位置，且类型必须为 0x07。

10.interfaces_count：2 个字节，表示当前类或接口直接实现的接口的数量。

11.interfaces[]：表示直接实现的接口，其值为常量池中索引的位置，且类型必须为 0x07。

12.methods_count：2 个字节，表示该类的方法表中方法结构的数量。

13.methods[]：方法表，表示该类中的所有方法，包括实例方法、类方法、初始化方法等，不包括从父类或父接口中继承但没实现的方法。

14.attributes_count：2 个字节，表示该.class 文件的属性表中实体的数量。

15.attributes[]：属性表，此位置的属性表示的是.class 文件中的属性，存储在此位置的属性是有限值的。

字段的结构如下：

field_info {
     u2                 access_flags;
     u2                 name_index;
     u2                 descriptor_index;
     u2                 attributes_count;
     attribute_info attributes[attributes_count];
}

方法的结构如下：

method_info {
        u2                access_flags;
        u2                name_index;
        u2                descriptor_index;
        u2                attributes_count;
        attribute_info attributes[attributes_count];
}

属性的结构如下：

attribute_info {
      u2 attribute_name_index;
      u4 attribute_length;
      u1 info[attribute_length];
}

我们看到 Class、Filed、Method，甚至在 Attribute 中都有属性结构，但不同的位置拥有的属性是不同的，比如 SourceFile 属性存储在 ClassFile 中，Code 属性存储在 Method 结构中，而存储字节码对应 Java 源码行号的 LineNumberTable 和描述本地变量表中变量与 Java 源码变量对应关系的 LocalVariableTable 属性则存储在 Code 属性中，用于 Java Debug。

内容摘自《高性能Java系统权威指南》第九章

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中高级程序员和架构师；

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