生成与使用

笔记

• java 虚拟机 (JVM) 只认 Java 字节码文件 (.class)，但能编译成 Java 字节码文件的编程语言不仅限于 Java 源代码，Groovy、Scala、Koltin 等语言通过对应的编译器也能编译成 Java 字节码文件，进而运行到 JVM。
• 将字节码称为 Java 字节码并不严谨，因为如今的 JVM 不再是只为 Java 服务，称作 JVM 字节码更适合。

计算机是不能直接运行 java 代码的，必须要先运行 java 虚拟机，再由 java 虚拟机运行编译后的 java 代码。这个编译后的 java 代码，就是本文要介绍的 java 字节码。

• Java 代码间接翻译成字节码，储存字节码的文件再交由运行于不同平台上的 JVM 虚拟机去读取执行，从而实现一次编写，到处运行的目的。
• JVM 也不再只支持 Java，由此衍生出了许多基于 JVM 的编程语言，如 Groovy, Scala, Koltin 等等。

文件结构与内容

class 文件本质上是一个以 8 位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑的排列在 class 文件中。jvm 根据其特定的规则解析该二进制数据，从而得到相关信息。

Class 文件采用一种伪结构来存储数据，它有两种类型：无符号数和表。这里暂不详细的讲。

二进制

下面以一个简单的例子来逐步讲解字节码。

//Main.java
public class Main {
    
    private int m;
    
    public int inc() {
        return m + 1;
    }
}

通过 javac 编译，可以在当前所在路径下生成一个 Main.class 文件。

javac Main.java

以（十六进制）文本的形式打开生成的 class 文件，内容如下:

cafe babe 0000 0034 0013 0a00 0400 0f09
0003 0010 0700 1107 0012 0100 016d 0100
0149 0100 063c 696e 6974 3e01 0003 2829
5601 0004 436f 6465 0100 0f4c 696e 654e
756d 6265 7254 6162 6c65 0100 0369 6e63
0100 0328 2949 0100 0a53 6f75 7263 6546
696c 6501 0009 4d61 696e 2e6a 6176 610c
0007 0008 0c00 0500 0601 0010 636f 6d2f
7268 7974 686d 372f 4d61 696e 0100 106a
6176 612f 6c61 6e67 2f4f 626a 6563 7400
2100 0300 0400 0000 0100 0200 0500 0600
0000 0200 0100 0700 0800 0100 0900 0000
1d00 0100 0100 0000 052a b700 01b1 0000
0001 000a 0000 0006 0001 0000 0003 0001
000b 000c 0001 0009 0000 001f 0002 0001
0000 0007 2ab4 0002 0460 ac00 0000 0100
0a00 0000 0600 0100 0000 0800 0100 0d00
0000 0200 0e

魔数与编译 JDK 版本

笔记

• JVM 只认文件内容是 cafe babe 开头的 class 文件，避免有人把无关的文件重命名为 class 后缀塞给 JVM。

• 文件开头的 4 个字节( cafe babe ) 称之为魔数，唯有以 "cafe babe" 开头的 class 文件方可被虚拟机所接受，这 4 个字节就是字节码文件的身份识别。
• 0000 是编译器 jdk 版本的次版本号 0； 0034 转化为十进制是 52 是主版本号，java 的版本号从 45 开始，除 1.0 和 1.1 都是使用 45.x 外，以后每升一个大版本，版本号加 1。也就是说，编译生成该 class 文件的 jdk 版本为 1.8.0。

通过 java -version 命令稍加验证，可得结果。

Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_131-b11)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.131-b11, mixed mode)

反编译

class 是一个二进制文件，是无法阅读的，因此需要使用反编译工具将其反编译成可读的文件。

使用到 java 内置的一个反编译工具 javap 可以反编译字节码文件，用法: javap <options> <classes>

其中 <options> 选项包括:

点击查看

  -help  --help  -?        输出此用法消息
  -version                 版本信息
  -v  -verbose             输出附加信息
  -l                       输出行号和本地变量表
  -public                  仅显示公共类和成员
  -protected               显示受保护的/公共类和成员
  -package                 显示程序包/受保护的/公共类
                           和成员 (默认)
  -p  -private             显示所有类和成员
  -c                       对代码进行反汇编
  -s                       输出内部类型签名
  -sysinfo                 显示正在处理的类的
                           系统信息 (路径, 大小, 日期, MD5 散列)
  -constants               显示最终常量
  -classpath <path>        指定查找用户类文件的位置
  -cp <path>               指定查找用户类文件的位置
  -bootclasspath <path>    覆盖引导类文件的位置

输入命令 javap -verbose -p Main.class 查看输出内容:

Classfile /E:/JavaCode/TestProj/out/production/TestProj/com/rhythm7/Main.class
  Last modified 2018-4-7; size 362 bytes
  MD5 checksum 4aed8540b098992663b7ba08c65312de
  Compiled from "Main.java"
public class com.rhythm7.Main
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#18         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#19         // com/rhythm7/Main.m:I
   #3 = Class              #20            // com/rhythm7/Main
   #4 = Class              #21            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               m
   #6 = Utf8               I
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/rhythm7/Main;
  #14 = Utf8               inc
  #15 = Utf8               ()I
  #16 = Utf8               SourceFile
  #17 = Utf8               Main.java
  #18 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #19 = NameAndType        #5:#6          // m:I
  #20 = Utf8               com/rhythm7/Main
  #21 = Utf8               java/lang/Object
{
  private int m;
    descriptor: I
    flags: ACC_PRIVATE

  public com.rhythm7.Main();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/rhythm7/Main;

  public int inc();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field m:I
         4: iconst_1
         5: iadd
         6: ireturn
      LineNumberTable:
        line 8: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       7     0  this   Lcom/rhythm7/Main;
}
SourceFile: "Main.java"

字节码文件信息

开头的 7 行信息包括：

1. Class 文件当前所在位置
2. 最后修改时间；文件大小
3. MD5 值
4. 编译自哪个文件
5. 类的全限定名
6. jdk 次版本号
7. jdk 主版本号

访问标志

然后紧接着的是该类的访问标志： ACC_PUBLIC, ACC_SUPER ，访问标志的含义如下:

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	是否为 Public 类型
ACC_FINAL	0x0010	是否被声明为 final，只有类可以设置
ACC_SUPER	0x0020	是否允许使用 invokespecial 字节码指令的新语义．
ACC_INTERFACE	0x0200	标志这是一个接口
ACC_ABSTRACT	0x0400	是否为 abstract 类型，对于接口或者抽象类来说，次标志值为真，其他类型为假
ACC_SYNTHETIC	0x1000	标志这个类并非由用户代码产生
ACC_ANNOTATION	0x2000	标志这是一个注解
ACC_ENUM	0x4000	标志这是一个枚举

常量池⭐️

Constant pool 意为常量池。

常量池可以理解成 Class 文件中的资源仓库。主要存放的是两大类常量：字面量 (Literal) 和符号引用 (Symbolic References)。字面量类似于 java 中的常量概念，如文本字符串，final 常量等，而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括以下三种:

1. 类和接口的全限定名 (Fully Qualified Name)
2. 字段的名称和描述符号 (Descriptor)
3. 方法的名称和描述符

不同于 C/C++，JVM 是在加载Class 文件的时候才进行的动态链接，也就是说这些字段和方法符号引用只有在运行期转换后才能获得真正的内存入口地址。当虚拟机运行时，需要从常量池获得对应的符号引用，再在类创建或运行时解析并翻译到具体的内存地址中。 直接通过反编译文件来查看字节码内容：

#1 = Methodref          #4.#18         // java/lang/Object."<init>":()V
#4 = Class              #21            // java/lang/Object
#7 = Utf8               <init>
#8 = Utf8               ()V
#18 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
#21 = Utf8               java/lang/Object

第一个常量是一个方法定义，指向了第 4 和第 18 个常量。以此类推查看第 4 和第 18 个常量。最后可以拼接成第一个常量右侧的注释内容:

java/lang/Object."<init>":()V

这段可以理解为该类的实例构造器的声明，由于 Main 类没有重写构造方法，所以调用的是父类的构造方法。此处也说明了 Main 类的直接父类是 Object。 该方法默认返回值是 V，也就是 void，无返回值。

第二个常量同理可得:

#2 = Fieldref           #3.#19         // com/rhythm7/Main.m:I
#3 = Class              #20            // com/rhythm7/Main
#5 = Utf8               m
#6 = Utf8               I
#19 = NameAndType        #5:#6          // m:I
#20 = Utf8               com/rhythm7/Main

复制代码此处声明了一个字段 m，类型为 I，I 即是 int 类型。关于字节码的类型对应如下：

标识字符	含义
B	基本类型 byte
C	基本类型 char
D	基本类型 double
F	基本类型 float
I	基本类型 int
J	基本类型 long
S	基本类型 short
Z	基本类型 boolean
V	特殊类型 void
L	对象类型，以分号结尾，如 Ljava/lang/Object;

对于数组类型，每一位使用一个前置的 [ 字符来描述，如定义一个 java.lang.String[][] 类型的维数组，将被记录为 [[Ljava/lang/String;

方法表集合⭐️

在常量池之后的是对类内部的方法描述，在字节码中以表的集合形式表现，暂且不管字节码文件的 16 进制文件内容如何，我们直接看反编译后的内容。

private int m;
  descriptor: I
  flags: ACC_PRIVATE

此处声明了一个私有变量 m，类型为 int，返回值为 int

public com.rhythm7.Main();
   descriptor: ()V
   flags: ACC_PUBLIC
   Code:
     stack=1, locals=1, args_size=1
        0: aload_0
        1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
        4: return
     LineNumberTable:
       line 3: 0
     LocalVariableTable:
       Start  Length  Slot  Name   Signature
           0       5     0  this   Lcom/rhythm7/Main;

这里是构造方法：Main ()，返回值为 void, 公开方法。

code 内的主要属性为:

• stack: 最大操作数栈，JVM 运行时会根据这个值来分配栈帧 (Frame) 中的操作栈深度，此处为 1
• locals: 局部变量所需的存储空间，单位为 Slot, Slot 是虚拟机为局部变量分配内存时所使用的最小单位，为 4 个字节大小。方法参数 (包括实例方法中的隐藏参数 this)，显示异常处理器的参数 (try catch 中的 catch 块所定义的异常)，方法体中定义的局部变量都需要使用局部变量表来存放。值得一提的是，locals 的大小并不一定等于所有局部变量所占的 Slot 之和，因为局部变量中的 Slot 是可以重用的。
• args_size: 方法参数的个数，这里是 1，因为每个实例方法都会有一个隐藏参数 this
• attribute_info: 方法体内容，0,1,4 为字节码 "行号"，该段代码的意思是将第一个引用类型本地变量推送至栈顶，然后执行该类型的实例方法，也就是常量池存放的第一个变量，也就是注释里的 java/lang/Object."":()V , 然后执行返回语句，结束方法。
• LineNumberTable: 该属性的作用是描述源码行号与字节码行号 (字节码偏移量) 之间的对应关系。可以使用 -g:none 或 - g:lines 选项来取消或要求生成这项信息，如果选择不生成 LineNumberTable，当程序运行异常时将无法获取到发生异常的源码行号，也无法按照源码的行数来调试程序。
• LocalVariableTable: 该属性的作用是描述帧栈中局部变量与源码中定义的变量之间的关系。可以使用 -g:none 或 -g:vars 来取消或生成这项信息，如果没有生成这项信息，那么当别人引用这个方法时，将无法获取到参数名称，取而代之的是 arg0, arg1 这样的占位符。 start 表示该局部变量在哪一行开始可见，length 表示可见行数，Slot 代表所在帧栈位置，Name 是变量名称，然后是类型签名。

同理可以分析 Main 类中的另一个方法 "inc ()":

方法体内的内容是：将 this 入栈，获取字段 #2 并置于栈顶，将 int 类型的 1 入栈，将栈内顶部的两个数值相加，返回一个 int 类型的值。

类名

最后很显然是源码文件：

SourceFile: "Main.java"

再看两个示例

分析 try-catch-finally

点击查看

通过以上一个最简单的例子，可以大致了解源码被编译成字节码后是什么样子的。 下面利用所学的知识点来分析一些 Java 问题:

public class TestCode {
    public int foo() {
        int x;
        try {
            x = 1;
            return x;
        } catch (Exception e) {
            x = 2;
            return x;
        } finally {
            x = 3;
        }
    }
}

试问当不发生异常和发生异常的情况下，foo () 的返回值分别是多少。

javac TestCode.java
javap -verbose TestCode.class

查看字节码的 foo 方法内容:

public int foo();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=5, args_size=1
         0: iconst_1 //int型1入栈 ->栈顶=1
         1: istore_1 //将栈顶的int型数值存入第二个局部变量 ->局部2=1
         2: iload_1 //将第二个int型局部变量推送至栈顶 ->栈顶=1
         3: istore_2 //!!将栈顶int型数值存入第三个局部变量 ->局部3=1
         
         4: iconst_3 //int型3入栈 ->栈顶=3
         5: istore_1 //将栈顶的int型数值存入第二个局部变量 ->局部2=3
         6: iload_2 //!!将第三个int型局部变量推送至栈顶 ->栈顶=1
         7: ireturn //从当前方法返回栈顶int数值 ->1
         
         8: astore_2 // ->局部3=Exception
         9: iconst_2 // ->栈顶=2
        10: istore_1 // ->局部2=2
        11: iload_1 //->栈顶=2
        12: istore_3 //!! ->局部4=2
        
        13: iconst_3 // ->栈顶=3
        14: istore_1 // ->局部1=3
        15: iload_3 //!! ->栈顶=2
        16: ireturn // -> 2
        
        17: astore        4 //将栈顶引用型数值存入第五个局部变量=any
        19: iconst_3 //将int型数值3入栈 -> 栈顶3
        20: istore_1 //将栈顶第一个int数值存入第二个局部变量 -> 局部2=3
        21: aload         4 //将局部第五个局部变量(引用型)推送至栈顶
        23: athrow //将栈顶的异常抛出
      Exception table:
         from    to  target type
             0     4     8   Class java/lang/Exception //0到4行对应的异常，对应#8中储存的异常
             0     4    17   any //Exeption之外的其他异常
             8    13    17   any
            17    19    17   any

在字节码的 4,5，以及 13,14 中执行的是同一个操作，就是将 int 型的 3 入操作数栈顶，并存入第二个局部变量。这正是我们源码在 finally 语句块中内容。也就是说，JVM 在处理异常时，会在每个可能的分支都将 finally 语句重复执行一遍。

通过一步步分析字节码，可以得出最后的运行结果是：

• 不发生异常时: return 1
• 发生异常时: return 2
• 发生非 Exception 及其子类的异常，抛出异常，不返回值

以上例子来自于《深入理解 Java 虚拟机 JVM 高级特性与最佳实践》, 关于虚拟机字节码指令表，也可以在《深入理解 Java 虚拟机 JVM 高级特性与最佳实践 - 附录 B》中获取。

kotlin 函数扩展的实现

点击查看

kotlin 提供了扩展函数的语言特性，借助这个特性，我们可以给任意对象添加自定义方法。

以下示例为 Object 添加 "sayHello" 方法

//SayHello.kt
package com.rhythm7

fun Any.sayHello() {
    println("Hello")
}

编译后，使用 javap 查看生成 SayHelloKt.class 文件的字节码。

Classfile /E:/JavaCode/TestProj/out/production/TestProj/com/rhythm7/SayHelloKt.class
Last modified 2018-4-8; size 958 bytes
 MD5 checksum 780a04b75a91be7605cac4655b499f19
 Compiled from "SayHello.kt"
public final class com.rhythm7.SayHelloKt
 minor version: 0
 major version: 52
 flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER
Constant pool:
    //省略常量池部分字节码
{
 public static final void sayHello(java.lang.Object);
   descriptor: (Ljava/lang/Object;)V
   flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
   Code:
     stack=2, locals=2, args_size=1
        0: aload_0
        1: ldc           #9                  // String $receiver
        3: invokestatic  #15                 // Method kotlin/jvm/internal/Intrinsics.checkParameterIsNotNull:(Ljava/lang/Object;Ljava/lang/String;)V
        6: ldc           #17                 // String Hello
        8: astore_1
        9: getstatic     #23                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       12: aload_1
       13: invokevirtual #28                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
       16: return
     LocalVariableTable:
       Start  Length  Slot  Name   Signature
           0      17     0 $receiver   Ljava/lang/Object;
     LineNumberTable:
       line 4: 6
       line 5: 16
   RuntimeInvisibleParameterAnnotations:
     0:
       0: #7()
}
SourceFile: "SayHello.kt"

观察头部发现，koltin 为文件 SayHello 生成了一个类，类名 "com.rhythm7.SayHelloKt".

由于我们一开始编写 SayHello.kt 时并不希望 SayHello 是一个可实例化的对象类，所以，SayHelloKt 是无法被实例化的，SayHelloKt 并没有任何一个构造器。

再观察唯一的一个方法：发现 Any.sayHello () 的具体实现是静态不可变方法的形式:

public static final void sayHello(java.lang.Object);

所以当我们在其他地方使用 Any.sayHello () 时，事实上等同于调用 java 的 SayHelloKt.sayHello (Object) 方法。

顺便一提的是，当扩展的方法为 Any 时，意味着 Any 是 non-null 的，这时，编译器会在方法体的开头检查参数的非空，即调用 kotlin.jvm.internal.Intrinsics.checkParameterIsNotNull(Object value, String paramName) 方法来检查传入的 Any 类型对象是否为空。如果我们扩展的函数为 Any?.sayHello() ，那么在编译后的文件中则不会有这段字节码的出现。