JVM执行子系统
一、Class 类文件结构
1、Java跨平台的基础
各种不同平台的虚拟机与所有平台都统一使用的程序存储格式——字节码(ByteCode)是构成平台无关性的基石,也是语言无关性的基础。Java虚拟机不和包括Java在内的任何语言绑定,它只与“Class文件”这种特定的二进制文件格式所关联,Class文件中包含了Java虚拟机指令集和符号表以及若干其他辅助信息。2、Class类的本质
任何一个Class文件都对应着唯一一个类或接口的定义信息,但反过来说,Class文件实际上它并不一定以磁盘文件的形式存在。
Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流。
3、Class文件格式
各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件之中,中间没有添加任何分隔符,这使得整个Class文件中存储的内容几乎全部是程序运行的必要数据,没有空隙存在。
Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据,这种伪结构中只有两种数据类型:无符号数和表。
无符号数属于基本的数据类型,以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数,无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值。
表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型,所有表都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据,整个Class文件本质上就是一张表。
3.1 Class File 结构 Class的结构不像XML等描述语言,由于它没有任何分隔符号,所以在其中的数据项,无论是顺序还是数量,都是被严格限定的,哪个字节代表什么含义,长度是多少,先后顺序如何,都不允许改变。
ClassFile {
u4magic;
//Class 文件的标志
u2minor_version;
//Class 的小版本号
u2major_version;
//Class 的大版本号
u2constant_pool_count;
//常量池的数量
cp_infoconstant_pool[constant_pool_count-1];
//常量池
u2access_flags;
//Class 的访问标记
u2this_class;
//当前类
u2super_class;
//父类
u2interfaces_count;
//接口
u2interfaces[interfaces_count];
//一个类可以实现多个接口
u2fields_count;
//Class 文件的字段属性
field_infofields[fields_count];
//一个类会可以有个字段
u2methods_count;
//Class 文件的方法数量
method_infomethods[methods_count];
//一个类可以有个多个方法
u2attributes_count;
//此类的属性表中的属性数
attribute_info attributes[attributes_count];
//属性表集合
}
Class文件字节码结构组织示意图 :
文章图片
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3.2 魔数
【Java|class 类文件结构与字节码指令】每个 Class 文件的头四个字节称为魔数(Magic Number),它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接收的 Class 文件。3.3 Class文件的版本
紧接着魔数的四个字节存储的是 Class 文件的版本号:第五和第六是次版本号,第七和第八是主版本号。向下兼容:高版本的 Java 虚拟机可以执行低版本编译器生成的 Class 文件,但是低版本的 Java 虚拟机不能执行高版本编译器生成的 Class 文件。
3.4 常量池
紧接着主次版本号之后的是常量池,常量池的数量是 constant_pool_count-1(常量池计数器是从1开始计数的,将第0项常量空出来是有特殊考虑的,索引值为0代表“不引用任何一个常量池项”)。常量池主要存放两大常量:字面量和符号引用。
- 字面量比较接近于 Java 语言层面的的常量概念,如文本字符串、声明为 final 的常量值等。
- 符号引用则属于编译原理方面的概念,包括下面三类常量:
- 类和接口的全限定名
- 字段的名称和描述符
- 方法的名称和描述符
3.5 访问标志
用于识别一些类或者接口层次的访问信息,包括:这个Class是类还是接口;是否定义为public类型;是否定义为abstract类型;如果是类的话,是否被声明为final等3.6 类索引、 父类索引与接口索引集合
这三项数据来确定这个类的继承关系。3.7 字段表集合
类索引用于确定这个类的全限定名,父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。由于Java语言不允许多重继承,所以父类索引只有一个,除了java.lang.Object之外,所有的Java类都有父类,因此除了java.lang.Object外,所有Java类的父类索引都不为0。
接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口,这些被实现的接口将按implements语句(如果这个类本身是一个接口,则应当是extends语句)后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中
描述接口或者类中声明的变量。字段(field)包括类级变量以及实例级变量。而字段叫什么名字、字段被定义为什么数据类型,这些都是无法固定的,只能引用常量池中的常量来描述。
字段表集合中不会列出从超类或者父接口中继承而来的字段,但有可能列出原本Java代码之中不存在的字段,譬如在内部类中为了保持对外部类的访问性,会自动添加指向外部类实例的字段。
3.8 方法表集合
描述了方法的定义,但是方法里的Java代码,经过编译器编译成字节码指令后,存放在属性表集合中的方法属性表集合中一个名为“Code”的属性里面。与字段表集合相类似的,如果父类方法在子类中没有被重写(Override),方法表集合中就不会出现来自父类的方法信息。但同样的,有可能会出现由编译器自动添加的方法,最典型的便是类构造器“<clinit>”方法和实例构造器“<init>”
3.9 属性表集合
在 Class 文件,字段表,方法表中都可以携带自己的属性表集合,以用于描述某些场景专有的信息。与 Class 文件中其它的数据项目要求的顺序、长度和内容不同,属性表集合的限制稍微宽松一些,不再要求各个属性表具有严格的顺序,并且只要不与已有的属性名重复,任何人实现的编译器都可以向属性表中写 入自己定义的属性信息,Java 虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。详解传送门:
- https://snailclimb.top/JavaGuide/#/
- https://blog.csdn.net/luanlouis/article/details/39960815
- https://blog.csdn.net/tyyj90/article/details/78472986
Java虚拟机的指令由一个字节长度的、代表着某种特定操作含义的数字(称为操作码,Opcode)以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数(称为操作数,Operands)而构成。
- 由于限制了Java虚拟机操作码的长度为一个字节(即0~255),这意味着指令集的操作码总数不可能超过256条。
- 大多数的指令都包含了其操作所对应的数据类型信息。例如:iload指令用于从局部变量表中加载int型的数据到操作数栈中,而fload指令加载的则是float类型的数据。
- 大部分的指令都没有支持整数类型byte、char和short,甚至没有任何指令支持boolean类型。
- 大多数对于boolean、byte、short和char类型数据的操作,实际上都是使用相应的int类型作为运算类型。
do{
自动计算PC寄存器的值加1;
根据PC寄存器的指示位置,从字节码流中取出操作码;
if(字节码存在操作数)从字节码流中取出操作数;
执行操作码所定义的操作;
}while(字节码流长度 > 0);
1.加载和存储指令 用于将数据在栈帧中的局部变量表和操作数栈之间来回传输,这类指令包括如下内容:
- 将一个局部变量加载到操作栈:iload、iload_<n>、lload、lload_<n>、fload、fload_<n>、dload、dload_<n>、aload、aload_<n>。
- 将一个数值从操作数栈存储到局部变量表:istore、istore_<n>、lstore、lstore_<n>、fstore、fstore_<n>、dstore、dstore_<n>、astore、astore_<n>。
- 将一个常量加载到操作数栈:bipush、sipush、ldc、ldc_w、ldc2_w、aconst_null、iconst_m1、iconst_<i>、lconst_<l>、fconst_<f>、dconst_<d>。
- 扩充局部变量表的访问索引的指令:wide。
2.运算或算术指令 用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算,并把结果重新存入到操作栈顶。
- 加法指令:iadd、ladd、fadd、dadd。
- 减法指令:isub、lsub、fsub、dsub。
- 乘法指令:imul、lmul、fmul、dmul…等
Java虚拟机直接支持以下数值类型的宽化类型转换(即小范围类型向大范围类型的安全转换):
- int类型到long、float或者double类型。
- long类型到float、double类型。
- float类型到double类型。
处理窄化类型转换(Narrowing Numeric Conversions)时,必须显式地使用转换指令来完成,这些转换指令包括:i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l和d2f。
- 创建类实例的指令:new。
- 创建数组的指令:newarray、anewarray、multianewarray。
- 访问字段指令:getfield、putfield、getstatic、putstatic。
- 检查类实例类型的指令:instanceof、checkcast。
- 把一个数组元素加载到操作数栈的指令:baload、caload、saload、iaload、laload、faload、daload、aaload。
- 将一个操作数栈的值存储到数组元素中的指令:bastore、castore、sastore、iastore、fastore、dastore、aastore。
- 取数组长度的指令:arraylength。
- 将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈:pop、pop2。
- 复制栈顶一个或两个数值并将复制值或双份的复制值重新压入栈顶:dup、dup2、dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2。
- 将栈最顶端的两个数值互换:swap。
- 条件分支:ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq和if_acmpne。
- 复合条件分支:tableswitch、lookupswitch。
- 无条件分支:goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret。
- invokevirtual指令用于调用对象的实例方法,根据对象的实际类型进行分派(虚方法分派),这也是Java语言中最常见的方法分派方式。
- invokeinterface指令用于调用接口方法,它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象,找出适合的方法进行调用。
- invokespecial指令用于调用一些需要特殊处理的实例方法,包括实例初始化方法、私有方法和父类方法。
- invokestatic指令用于调用类方法(static方法)。
- invokedynamic指令用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法,并执行该方法,前面4条调用指令的分派逻辑都固化在Java虚拟机内部,而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。
方法调用指令与数据类型无关。 - 返回指令是根据返回值的类型区分的,包括ireturn(当返回值是boolean、byte、char、short和int类型时使用)、lreturn、freturn、dreturn和areturn,另外还有一条return指令供声明为void的方法、实例初始化方法以及类和接口的类初始化方法使用。
10.同步指令 有monitorenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字的语义。
字节码详解传送门
- https://blog.csdn.net/FU250/article/details/90267634
- https://blog.csdn.net/FU250/article/details/80922162
- Java Guide:https://snailclimb.top/JavaGuide/#/?id=java
- 《深入理解Java虚拟机》
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