JVM详解之:java class文件的密码本

2020-07-15 00:00:00 文件的是数组字节常量

简介

一切的一切都是从javac开始的。从那一刻开始，java文件就从我们肉眼可分辨的文本文件，变成了冷冰冰的二进制文件。

变成了二进制文件是不是意味着我们无法再深入的去了解java class文件了呢？答案是否定的。

机器可以读，人为什么不能读？只要我们掌握java class文件的密码表，我们可以把二进制转成十六进制，将十六进制和我们的密码表进行对比，就可以轻松的解密了。

下面，让我们开始这个激动人心的过程吧。

一个简单的class

为了深入理解java class的含义，我们首先需要定义一个class类：

public class JavaClassUsage {
    private int age=18;
    public void inc(int number){        this.age=this.age+ number;    }}

很简单的类，我想不会有比它更简单的类了。

在上面的类中，我们定义了一个age字段和一个inc的方法。

接下来我们使用javac来进行编译。

IDEA有没有？直接打开编译后的class文件，你会看到什么？

没错，是反编译过来的java代码。但是这次我们需要深入了解的是class文件，于是我们可以选择 view->Show Bytecode：

当然，还是少不了质朴的javap命令：

javap -verbose JavaClassUsage

对比会发现，其实javap展示的更清晰一些，我们暂时选用javap的结果。

编译的class文件有点长，我一度有点不想都列出来，但是又一想只有对才能讲述得更清楚，还是贴在下面：

public class com.flydean.JavaClassUsage  minor version:   major version: 58  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPERConstant pool:   #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V   #2 = Class              #4             // java/lang/Object   #3 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V   #4 = Utf8               java/lang/Object   #5 = Utf8               <init>   #6 = Utf8               ()V   #7 = Fieldref           #8.#9          // com/flydean/JavaClassUsage.age:I   #8 = Class              #10            // com/flydean/JavaClassUsage   #9 = NameAndType        #11:#12        // age:I  #10 = Utf8               com/flydean/JavaClassUsage  #11 = Utf8               age  #12 = Utf8               I  #13 = Utf8               Code  #14 = Utf8               LineNumberTable  #15 = Utf8               LocalVariableTable  #16 = Utf8               this  #17 = Utf8               Lcom/flydean/JavaClassUsage;  #18 = Utf8               inc  #19 = Utf8               (I)V  #20 = Utf8               number  #21 = Utf8               SourceFile  #22 = Utf8               JavaClassUsage.java{  public com.flydean.JavaClassUsage();    descriptor: ()V    flags: ACC_PUBLIC    Code:      stack=2, locals=1, args_size=1         : aload_0         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V         4: aload_0         5: bipush        18         7: putfield      #7                  // Field age:I        10: return      LineNumberTable:        line 7:         line 9: 4      LocalVariableTable:        Start  Length  Slot  Name   Signature                  11       this   Lcom/flydean/JavaClassUsage;
  public void inc(int);    descriptor: (I)V    flags: ACC_PUBLIC    Code:      stack=3, locals=2, args_size=2         : aload_0         1: aload_0         2: getfield      #7                  // Field age:I         5: iload_1         6: iadd         7: putfield      #7                  // Field age:I        10: return      LineNumberTable:        line 12:         line 13: 10      LocalVariableTable:        Start  Length  Slot  Name   Signature                  11       this   Lcom/flydean/JavaClassUsage;                  11     1 number   I}SourceFile: "JavaClassUsage.java"

ClassFile的二进制文件

慢着，上面javap的结果好像并不是二进制文件！

对的，javap是对二进制文件进行了解析，方便程序员阅读。如果你真的想直面底层的机器代码，就直接用支持16进制的文本编译器把编译好的class文件打开吧。

你准备好了吗？

来吧，展示吧！

上图左边是16进制的class文件代码，右边是对16进制文件的适当解析。大家可以隐约的看到一点点熟悉的内容。

是的，没错，你会读机器语言了！

class文件的密码本

如果你要了解class文件的结构，你需要这个密码本。

如果你想解析class文件，你需要这个密码本。

学好这个密码本，走遍天下都……没啥用！

下面就是密码本，也就是classFile的结构。

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];}

其中u2，u4表示的是无符号的两个字节，无符号的4个字节。

java class文件就是按照上面的格式排列下来的，按照这个格式，我们可以自己实现一个反编译器（大家有兴趣的话，可以自行研究）。

我们对比着上面的二进制文件一个一个的来理解。

magic

首先，class文件的前4个字节叫做magic word。

看一下十六进制的行的前4个字节：

CA FE BA BE 00 00 00 3A 00 17 0A 00 02 00 03 07

0xCAFEBABE就是magic word。所有的java class文件都是以这4个字节开头的。

来一杯咖啡吧，baby！

多么有诗意的画面。

version

这两个version要连着讲，一个是主版本号，一个是次版本号。

00 00 00 3A

对比一下上面的表格，我们的主版本号是3A=58，也就是我们使用的是JDK14版本。

常量池

接下来是常量池。

首先是两个字节的constant_pool_count。对比一下，constant_pool_count的值是：

00 17

换算成十进制就是23。也就是说常量池的大小是23-1=22。

这里有两点要注意，点，常量池数组的index是从1开始到constant_pool_count-1结束。

第二点，常量池数组的第0位是作为一个保留位，表示“不引用任何常量池项目”，为某些特殊的情况下使用。

接下来是不定长度的cp_info：constant_pool[constant_pool_count-1]常量池数组。

常量池数组中存了些什么东西呢？

字符串常量，类和接口名字，字段名，和其他一些在class中引用的常量。

具体的constant_pool中存储的常量类型有下面几种：

每个常量都是以一个tag开头的。用来告诉JVM，这个到底是一个什么常量。

好了，我们对比着来看一下。在constant_pool_count之后，我们再取一部分16进制数据：

上面我们讲到了17是常量池的个数，接下来就是常量数组。

0A 00 02 00 03

首先个字节是常量的tag， 0A=10，对比一下上面的表格，10表示的是CONSTANT_Methodref方法引用。

CONSTANT_Methodref又是一个结构体，我们再看一下方法引用的定义：

CONSTANT_Methodref_info {    u1 tag;    u2 class_index;    u2 name_and_type_index;}

从上面的定义我们可以看出，CONSTANT_Methodref是由三部分组成的，部分是一个字节的tag，也就是上面的0A。

第二部分是2个字节的class_index，表示的是类在常量池中的index。

第三部分是2个字节的name_and_type_index，表示的是方法的名字和类型在常量池中的index。

先看class_index，0002=2。

常量池的个元素我们已经找到了就是CONSTANT_Methodref，第二个元素就是跟在CONSTANT_Methodref后面的部分，我们看下是什么：

07 00 04

一样的解析步骤，07=7，查表，表示的是CONSTANT_Class。

我们再看下CONSTANT_Class的定义：

CONSTANT_Class_info {    u1 tag;    u2 name_index;}

可以看到CONSTANT_Class占用3个字节，个字节是tag，后面两个字节是name在常量池中的索引。

00 04 = 4，表示name在常量池中的索引是4。

然后我们就这样一路找下去，就得到了所有常量池中常量的信息。

这样找起来，眼睛都花了，有没有什么简单的办法呢？

当然有，就是上面的javap -version，我们再回顾一下输出结果中的常量池部分：

Constant pool:   #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V   #2 = Class              #4             // java/lang/Object   #3 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V   #4 = Utf8               java/lang/Object   #5 = Utf8               <init>   #6 = Utf8               ()V   #7 = Fieldref           #8.#9          // com/flydean/JavaClassUsage.age:I   #8 = Class              #10            // com/flydean/JavaClassUsage   #9 = NameAndType        #11:#12        // age:I  #10 = Utf8               com/flydean/JavaClassUsage  #11 = Utf8               age  #12 = Utf8               I  #13 = Utf8               Code  #14 = Utf8               LineNumberTable  #15 = Utf8               LocalVariableTable  #16 = Utf8               this  #17 = Utf8               Lcom/flydean/JavaClassUsage;  #18 = Utf8               inc  #19 = Utf8               (I)V  #20 = Utf8               number  #21 = Utf8               SourceFile  #22 = Utf8               JavaClassUsage.java

以行为例，直接告诉你常量池中个index的类型是Methodref，它的classref是index=2，它的NameAndType是index=3。

并且直接在后面展示出了具体的值。

描述符

且慢，在常量池中我好像看到了一些不一样的东西，这些I，L是什么东西？

这些叫做字段描述符：

上图是他们的各项含义。除了8大基础类型，还有2个引用类型，分别是对象的实例，和数组。

access_flags

常量池后面就是access_flags：访问描述符，表示的是这个class或者接口的访问权限。

先上密码表：

再找一下我们16进制的access_flag:

没错，就是00 21。参照上面的表格，好像没有21，但是别怕：

21是ACC_PUBLIC和ACC_SUPER的并集。表示它有两个access权限。

this_class和super_class

接下来是this class和super class的名字，他们都是对常量池的引用。

00 08 00 02

this class的常量池index=8， super class的常量池index=2。

看一下2和8都代表什么：

  #2 = Class              #4             // java/lang/Object   #8 = Class              #10            // com/flydean/JavaClassUsage

没错，JavaClassUsage的父类是Object。

大家知道为什么java只能单继承了吗？因为class文件里面只有一个u2的位置，放不下了！

interfaces_count和interfaces[]

接下来就是接口的数目和接口的具体信息数组了。

00 00

我们没有实现任何接口，所以interfaces_count=0，这时候也就没有interfaces[]了。

fields_count和fields[]

然后是字段数目和字段具体的数组信息。

这里的字段包括类变量和实例变量。

每个字段信息也是一个结构体：

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

字段的access_flag跟class的有点不一样：

这里我们就不具体对比解释了，感兴趣的小伙伴可以自行体验。

methods_count和methods[]

接下来是方法信息。

method结构体：

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

method访问权限标记：

attributes_count和attributes[]

attributes被用在ClassFile, field_info, method_info和Code_attribute这些结构体中。

先看下attributes结构体的定义：

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

都有哪些attributes, 这些attributes都用在什么地方呢？

其中有六个属性对于Java虚拟机正确解释类文件至关重要，他们是：

ConstantValue，Code，StackMapTable，BootstrapMethods，NestHost和NestMembers。

九个属性对于Java虚拟机正确解释类文件不是至关重要的，但是对于通过Java SE Platform的类库正确解释类文件是至关重要的，他们是：

Exceptions，InnerClasses，EnclosingMethod，Synthetic，Signature，SourceFile，LineNumberTable，LocalVariableTable，LocalVariableTypeTable。

其他13个属性，不是那么重要，但是包含有关类文件的元数据。

总结

后留给大家一个问题，java class中常量池的大小constant_pool_count是2个字节，两个字节可以表示2的16次方个常量。很明显已经够大了。

但是，万一我们写了超过2个字节大小的常量怎么办？欢迎大家留言给我讨论。

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