JVM调优篇之JVM基础入门AND字节码文件解读

Java程序编译

Java文件通过编译成class文件后，通过JVM虚拟机解释字节码文件转为操作系统执行的二进制码运行。

规范

Java虚拟机有自己的一套规范，遵循这套规范，任何形式的语言都可以在JVM上运行，前提是编译成class文件，此规范相见oracle官网文档。

实现
JVM虚拟机落地实现有很多，常见的有:

• Hotspot，使用最热门的JVM
• OpenJ9，IBM开发
• MicroSoft JVM 微软开发
• TaobaoVM 淘宝开发
• azul zing VM 垃圾回收行业标杆，最快

class文件内容

从上图内容可看出class文件包以下几个方面内容：

• 魔数（magic number）占4个字节，固定的值0xcafebabe，主要来校验class文件。
• version 版本号，分为小版本号minor version和大版本号major version，各占两个字节。
• 常量池信息（constant_pool），具体的各种常量信息，字符串，类名，方法名，字段名等。
• 访问标识（access_flag）,2个字节描述类与接口的修饰符，有几个常见的常量值见附录-访问标识
• 当前类（this_class）
• 当前类的父类（super_class）
• 具体的接口信息（interfaces）
• 具体的属性信息（fileds）
• 具体的方法信息（methods）
• 其它附加属性信息（attributes）

更具体的内容如下：

项目	Value
Magic Number	魔数（CAFE BABE）
Minor Number	次版本号
Major Number	主版本号
constant_pool_count	常量池数量
constant_pool	常量池具体实现，是一种表
access_flag	访问标识
this_class	当前类名
super_class	父类名称
interfaces_count	接口数量
interfaces	具体实现的接口信息
fileds_count	属性数量
fileds	具体属性信息
methods_count	方法数量
methods	具体方法的信息
attributes_count	其它附加属性的数量
attributes	其它附加属性具体信息

现在来看具体示例来看上面的代表是什么意思，准备一个简单的类:

public class ByteCode01 {public ByteCode01() {}
}

编译之后的字节码文件：

class文件中就是一个二进制字节流，非0即1，数据类型有五种，u1,u2,u4,u8和_info表类型。

上述这种文件需要借助工具来分析具体内容，在idea安装jclasslib插件看Java文件编译成class文件信息，选中编译后的class文件，如下图所示:

访问标识是固定的值，通过位运算得出的0x0021既代表public又代表super（0x0021是0x0001与0x0020位与运算），详见附录-访问标识表

更直观的表现：

常量池

本类索引即当前类名(this_class)，cp_info是constant_pool的表类型，#2是第二张表，cp_info #2代表常量池第二张表，存的是对cp_info #14的引用，cp_info #14存的是具体的字符串值，就是当前类的类名。

class文件中都有属于自己的常量池，常量池包含类型列表，来存储类、方法、字段、接口等信息，以及各种字面量，通过解析常量池可以访问这些字符串信息。比如上图出现的CONSTANT_Utf8_info、CONSTANT_Class_info等详见文末常量池类型列表。

着重看下CONSTANT_Utf8_info，它用来存储 UTF-8 编码的字符串，相当于一张常量池表，看一下它的具体结构：

字段名	字节数	描述
tag	1	CONSTANT_Utf8_info的常量类型是1（其余的见文末常量池类型列表）
length	2	u2（2 字节无符号数） 类型字段，表示 bytes 部分字节长度，以字节为单位的
bytes	length	实际字符串数据，采用 UTF-8 编码显示

比如

public class Test {public static void main(String[] args) {System.out.println("Hello, World!");}
}

字符串 Hello, World!，会以 CONSTANT_Utf8_info 类型存储在常量池中，对应的二进制内容或许是：

tag      = 0x01 (标识 CONSTANT_Utf8_info)
length   = 0x000D (字符串的字节长度为 13)
bytes    = 48 65 6C 6C 6F 2C 20 57 6F 72 6C 64 21 ("Hello, World!" 的 UTF-8 编码)

常量池通常分为下面几种常量值类型：

类型	标志(tag)	描述
CONSTANT_Utf8_info	1	UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info	3	整型字面量
CONSTANT_Float_info	4	浮点型字面
CONSTANT_Long_info	5	长整型字面量
CONSTANT_Double_info	6	双精度浮点型字面量
CONSTANT_Class_info	7	类或接口的符号引用
CONSTANT_String_info	8	字符串类型字面量
CONSTANT_Fieldref_info	9	字段的符号引用
CONSTANT_Methodref_info	10	类中方法的符号引用
CONSTANT_InterfaceMethodref_info	11	接口中方法的符号引用
CONSTANT_NameAndType_info	12	字段或方法的部分符号引用
CONSTANT_MethodHandle_info	15	表示方法句柄
CONSTANT_MethodType_info	16	表示方法类型
CONSTANT_InvokeDynamic_info	18	表示一个动态方法调用点

附录-访问标识表

项目	Value
ACC_PUBLIC 0x0001	是否是public类型
ACC_FINAL 0x0010	是否是NULL
ACC_SUPER 0x0020	该标志必须为真
ACC_INTERFACE 0x0200	是否为接口
ACC_ABSTRACT 0X0400	是否是接口或者抽象类
ACC_SYNTHETIC 0x1000	编译器自动生成，非用户代码产生
ACC_ANNOTATION 0x2000	是否为注解
ACC_ENUM 0x4000	是否为枚举

附录-常量池类型列表

常量类型	tag值	描述
CONSTANT_Utf8_info	1	用于存储 UTF-8 编码的字符串
CONSTANT_Integer_info	3	用于存储 4 字节的整型字面量（int）
CONSTANT_Float_info	4	用于存储 4 字节的浮点型字面量（float）
CONSTANT_Long_info	5	用于存储 8 字节的长整型字面量（long）
CONSTANT_Double_info	6	用于存储 8 字节的双精度浮点型字面量（double）
CONSTANT_Class_info	7	用于存储类或接口的符号引用，引用 CONSTANT_Utf8_info 中的类名
CONSTANT_String_info	8	用于存储字符串字面量，引用 CONSTANT_Utf8_info 中的字符串内容
CONSTANT_Fieldref_info	9	用于存储字段的符号引用，引用类和字段的描述信息
CONSTANT_Methodref_info	10	用于存储类中方法的符号引用，引用类和方法的描述信息
CONSTANT_InterfaceMethodref_info	11	用于存储接口中方法的符号引用，引用接口和方法的描述信息
CONSTANT_NameAndType_info	12	用于描述字段或方法的名称和类型，引用名称（Utf8）和描述符（Utf8）
CONSTANT_MethodHandle_info	15	用于存储对方法句柄的引用（invokedynamic 指令用）
CONSTANT_MethodType_info	16	用于存储方法类型的符号引用，指向方法描述符（Utf8）
CONSTANT_Dynamic_info	17	用于存储动态调用点的信息（JDK 11 引入，支持动态常量）
CONSTANT_InvokeDynamic_info	18	用于存储动态方法调用点的信息，引用引导方法和动态调用名称
CONSTANT_Module_info	19	用于存储模块的符号引用（JDK 9 引入）
CONSTANT_Package_info	20	用于存储包的符号引用（JDK 9 引入）