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淺談JVM之java class文件的密碼本

 更新時間：2021年06月02日 14:49:24   作者：flydean  
一切的一切都是從javac開始的。從那一刻開始，java文件就從我們?nèi)庋劭煞直娴奈谋疚募?，變成了冷冰冰的二進制文件。變成了二進制文件是不是意味著我們無法再深入的去了解java class文件了呢？答案是否定的。本文將詳細介紹JVM之java class文件的密碼本。

簡介

機器可以讀，人為什么不能讀？只要我們掌握java class文件的密碼表，我們可以把二進制轉(zhuǎn)成十六進制，將十六進制和我們的密碼表進行對比，就可以輕松的解密了。

下面，讓我們開始這個激動人心的過程吧。

一個簡單的class

為了深入理解java class的含義，我們首先需要定義一個class類：

public class JavaClassUsage {

    private int age=18;

    public void inc(int number){
        this.age=this.age+ number;
    }
}

很簡單的類，我想不會有比它更簡單的類了。

在上面的類中，我們定義了一個age字段和一個inc的方法。

接下來我們使用javac來進行編譯。

IDEA有沒有？直接打開編譯后的class文件，你會看到什么？

沒錯，是反編譯過來的java代碼。但是這次我們需要深入了解的是class文件，于是我們可以選擇 view->Show Bytecode：

當(dāng)然，還是少不了最質(zhì)樸的javap命令：

 javap -verbose JavaClassUsage

對比會發(fā)現(xiàn)，其實javap展示的更清晰一些，我們暫時選用javap的結(jié)果。

編譯的class文件有點長，我一度有點不想都列出來，但是又一想只有對才能講述得更清楚，還是貼在下面：

public class com.flydean.JavaClassUsage

  minor version: 0

  major version: 58

  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

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

{

  public com.flydean.JavaClassUsage();

    descriptor: ()V

    flags: ACC_PUBLIC

    Code:

      stack=2, locals=1, args_size=1

         0: 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: 0

        line 9: 4

      LocalVariableTable:

        Start  Length  Slot  Name   Signature

            0      11     0  this   Lcom/flydean/JavaClassUsage;

  public void inc(int);

    descriptor: (I)V

    flags: ACC_PUBLIC

    Code:

      stack=3, locals=2, args_size=2

         0: 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: 0

        line 13: 10

      LocalVariableTable:

        Start  Length  Slot  Name   Signature

            0      11     0  this   Lcom/flydean/JavaClassUsage;

            0      11     1 number   I

}

SourceFile: "JavaClassUsage.java"

ClassFile的二進制文件

慢著，上面javap的結(jié)果好像并不是二進制文件！

對的，javap是對二進制文件進行了解析，方便程序員閱讀。如果你真的想直面最最底層的機器代碼，就直接用支持16進制的文本編譯器把編譯好的class文件打開吧。

你準(zhǔn)備好了嗎？來吧，展示吧！

上圖左邊是16進制的class文件代碼，右邊是對16進制文件的適當(dāng)解析。大家可以隱約的看到一點點熟悉的內(nèi)容。

是的，沒錯，你會讀機器語言了！

class文件的密碼本

如果你要了解class文件的結(jié)構(gòu)，你需要這個密碼本。

如果你想解析class文件，你需要這個密碼本。

學(xué)好這個密碼本，走遍天下都......沒啥用！

下面就是密碼本，也就是classFile的結(jié)構(gòu)。

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表示的是無符號的兩個字節(jié)，無符號的4個字節(jié)。

java class文件就是按照上面的格式排列下來的，按照這個格式，我們可以自己實現(xiàn)一個反編譯器（大家有興趣的話，可以自行研究）。

我們對比著上面的二進制文件一個一個的來理解。

magic

首先，class文件的前4個字節(jié)叫做magic word。

看一下十六進制的第一行的前4個字節(jié)：

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文件都是以這4個字節(jié)開頭的。

來一杯咖啡吧，baby！

多么有詩意的畫面。

version

這兩個version要連著講，一個是主版本號，一個是次版本號。

00 00 00 3A

對比一下上面的表格，我們的主版本號是3A=58，也就是我們使用的是JDK14版本。

常量池

接下來是常量池。

首先是兩個字節(jié)的constant_pool_count。對比一下，constant_pool_count的值是：

00 17

換算成十進制就是23。也就是說常量池的大小是23-1=22。

這里有兩點要注意，第一點，常量池數(shù)組的index是從1開始到constant_pool_count-1結(jié)束。

第二點，常量池數(shù)組的第0位是作為一個保留位，表示“不引用任何常量池項目”，為某些特殊的情況下使用。

接下來是不定長度的cp_info：constant_pool[constant_pool_count-1]常量池數(shù)組。

常量池數(shù)組中存了些什么東西呢？

字符串常量，類和接口名字，字段名，和其他一些在class中引用的常量。

具體的constant_pool中存儲的常量類型有下面幾種：

每個常量都是以一個tag開頭的。用來告訴JVM，這個到底是一個什么常量。

好了，我們對比著來看一下。在constant_pool_count之后，我們再取一部分16進制數(shù)據(jù)：

上面我們講到了17是常量池的個數(shù)，接下來就是常量數(shù)組。

0A 00 02 00 03

首先第一個字節(jié)是常量的tag， 0A=10，對比一下上面的表格，10表示的是CONSTANT_Methodref方法引用。

CONSTANT_Methodref又是一個結(jié)構(gòu)體，我們再看一下方法引用的定義：

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

從上面的定義我們可以看出，CONSTANT_Methodref是由三部分組成的，第一部分是一個字節(jié)的tag，也就是上面的0A。

第二部分是2個字節(jié)的class_index，表示的是類在常量池中的index。

第三部分是2個字節(jié)的name_and_type_index，表示的是方法的名字和類型在常量池中的index。

先看class_index，0002=2。

常量池的第一個元素我們已經(jīng)找到了就是CONSTANT_Methodref，第二個元素就是跟在CONSTANT_Methodref后面的部分，我們看下是什么：

07 00 04

一樣的解析步驟，07=7，查表，表示的是CONSTANT_Class。

我們再看下CONSTANT_Class的定義：

CONSTANT_Class_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

可以看到CONSTANT_Class占用3個字節(jié)，第一個字節(jié)是tag，后面兩個字節(jié)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。

然后我們就這樣一路找下去，就得到了所有常量池中常量的信息。

這樣找起來，眼睛都花了，有沒有什么簡單的辦法呢？

當(dāng)然有，就是上面的javap -version， 我們再回顧一下輸出結(jié)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

以第一行為例，直接告訴你常量池中第一個index的類型是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體的值。

描述符

且慢，在常量池中我好像看到了一些不一樣的東西，這些I，L是什么東西？

這些叫做字段描述符：

上圖是他們的各項含義。除了8大基礎(chǔ)類型，還有2個引用類型，分別是對象的實例，和數(shù)組。

access_flags

常量池后面就是access_flags：訪問描述符，表示的是這個class或者接口的訪問權(quán)限。

先上密碼表：

再找一下我們16進制的access_flag:

沒錯，就是00 21。 參照上面的表格，好像沒有21，但是別怕：

21是ACC_PUBLIC和ACC_SUPER的并集。表示它有兩個access權(quán)限。

this_class和super_class

接下來是this class和super class的名字，他們都是對常量池的引用。

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

沒錯，JavaClassUsage的父類是Object。

大家知道為什么java只能單繼承了嗎？因為class文件里面只有一個u2的位置，放不下了！

interfaces_count和interfaces[]

接下來就是接口的數(shù)目和接口的具體信息數(shù)組了。

00 00

我們沒有實現(xiàn)任何接口，所以interfaces_count=0，這時候也就沒有interfaces[]了。

fields_count和fields[]

然后是字段數(shù)目和字段具體的數(shù)組信息。

這里的字段包括類變量和實例變量。

每個字段信息也是一個結(jié)構(gòu)體：

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的有點不一樣：

這里我們就不具體對比解釋了，感興趣的小伙伴可以自行體驗。

methods_count和methods[]

接下來是方法信息。

method結(jié)構(gòu)體：

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

method訪問權(quán)限標(biāo)記：

attributes_count和attributes[]

attributes被用在ClassFile, field_info, method_info和Code_attribute這些結(jié)構(gòu)體中。

先看下attributes結(jié)構(gòu)體的定義：

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

都有哪些attributes, 這些attributes都用在什么地方呢？

其中有六個屬性對于Java虛擬機正確解釋類文件至關(guān)重要，他們是：
ConstantValue，Code，StackMapTable，BootstrapMethods，NestHost和NestMembers。

九個屬性對于Java虛擬機正確解釋類文件不是至關(guān)重要的，但是對于通過Java SE Platform的類庫正確解釋類文件是至關(guān)重要的，他們是：

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

其他13個屬性，不是那么重要，但是包含有關(guān)類文件的元數(shù)據(jù)。

總結(jié)

最后留給大家一個問題，java class中常量池的大小constant_pool_count是2個字節(jié)，兩個字節(jié)可以表示2的16次方個常量。很明顯已經(jīng)夠大了。

以上就是淺談JVM之java class文件的密碼本的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于JVM之java class文件的密碼本的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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