jvm中类和对象定义存储基础知识

1 类文件数据结构类型

Class文件结构主要有两种数据结构：无符号数和表
•无符号数：用来表述数字，索引引用、数量值以及字符串等，比如 图1中类型为u1,u2,u4,u8分别代表1个字节，2个字节，4个字节，8个字节的无符号数
•表：表是有由多个无符号数以及其它的表组成的复合结构，比如图1中类型以_info结尾的项为表类型。
2 类结构定义

Class类文件是紧凑、顺序、无空隙的，魔数（MagicNumber）、Class文件版本（Version）、常量池（Constant_Pool）、访问标记（Access_flag）、本类（This_class）、父类（Super_class）、接口（Interfaces）、字段集合（Fields）、方法集合（Methods ）、属性集合（Attributes）。其中因为java多继承所以interfaces接口类型为数组；attribute_info则是方法表中定义的code索引，指向具体的方法体字节码。如图1所示。

下面用一段程序做说明，此类有接口，有方法、类变量和实例变量，机器是如何识别字节码然后按照上面的规则来定义此class类呢？

1. package com.jd.crm.Logback;
3. public class TestClass implements Super{
5.     private static final int staticVar = 0;
7.     private int instanceVar=0;
9.     public int instanceMethod(int param) throws  Exception{
10.         return param ++;
11.     }
12. }
13. interface Super{ }

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通过javap帮助解析class文件格式如下：

1. Classfile /D:/spm-workspace/test/target/classes/com/jd/crm/Logback/TestClass.class
2.   Last modified 2023-4-14; size 597 bytes
3.   MD5 checksum 9d5dd9fc2145ac17393fee7a707d3b9c
4.   Compiled from "TestClass.java"
5. public class com.jd.crm.Logback.TestClass implements com.jd.crm.Logback.Super
6.   minor version: 0
7.   major version: 52
8.   flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
9. Constant pool:
10.    #1 = Methodref          #4.#26         // java/lang/Object."<init>":()V
11.    #2 = Fieldref           #3.#27         // com/jd/crm/Logback/TestClass.instanceVar:I
12.    #3 = Class              #28            // com/jd/crm/Logback/TestClass
13.    #4 = Class              #29            // java/lang/Object
14.    #5 = Class              #30            // com/jd/crm/Logback/Super
15.    #6 = Utf8               staticVar
16.    #7 = Utf8               I
17.    #8 = Utf8               ConstantValue
18.    #9 = Integer            0
19.   #10 = Utf8               instanceVar
20.   #11 = Utf8               <init>
21.   #12 = Utf8               ()V
22.   #13 = Utf8               Code
23.   #14 = Utf8               LineNumberTable
24.   #15 = Utf8               LocalVariableTable
25.   #16 = Utf8               this
26.   #17 = Utf8               Lcom/jd/crm/Logback/TestClass;
27.   #18 = Utf8               instanceMethod
28.   #19 = Utf8               (I)I
29.   #20 = Utf8               param
30.   #21 = Utf8               Exceptions
31.   #22 = Class              #31            // java/lang/Exception
32.   #23 = Utf8               MethodParameters
33.   #24 = Utf8               SourceFile
34.   #25 = Utf8               TestClass.java
35.   #26 = NameAndType        #11:#12        // "<init>":()V
36.   #27 = NameAndType        #10:#7         // instanceVar:I
37.   #28 = Utf8               com/jd/crm/Logback/TestClass
38.   #29 = Utf8               java/lang/Object
39.   #30 = Utf8               com/jd/crm/Logback/Super
40.   #31 = Utf8               java/lang/Exception
41. {
42.   public com.jd.crm.Logback.TestClass();
43.     descriptor: ()V
44.     flags: ACC_PUBLIC
45.     Code:
46.       stack=2, locals=1, args_size=1
47.          0: aload_0
48.          1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
49.          4: aload_0
50.          5: iconst_0
51.          6: putfield      #2                  // Field instanceVar:I
52.          9: return
53.       LineNumberTable:
54.         line 3: 0
55.         line 7: 4
56.       LocalVariableTable:
57.         Start  Length  Slot  Name   Signature
58.             0      10     0  this   Lcom/jd/crm/Logback/TestClass;
60.   public int instanceMethod(int) throws java.lang.Exception;
61.     descriptor: (I)I
62.     flags: ACC_PUBLIC
63.     Code:
64.       stack=1, locals=2, args_size=2
65.          0: iload_1
66.          1: iinc          1, 1
67.          4: ireturn
68.       LineNumberTable:
69.         line 10: 0
70.       LocalVariableTable:
71.         Start  Length  Slot  Name   Signature
72.             0       5     0  this   Lcom/jd/crm/Logback/TestClass;
73.             0       5     1 param   I
74.     Exceptions:
75.       throws java.lang.Exception
76.     MethodParameters:
77.       Name                           Flags
78.       param
79. }
80. SourceFile: "TestClass.java"

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以上是javap帮助我们生成的class文件解析结果，只是给人看，而非机器。
通过编译后生成class文件格式如下,因为class文件是以8位作为一个字节的二进制流。为了方便计算，用16进制表示二进制(1个字节=2个十六进制的数，故下面每2个数就代表1个字节)

2.1 魔法数

前四个字节cafebabe是固定值,任何语言编译成jvm认识的二进制流，前四位必须是固定的cafebabe字节。
2.2 版本号

紧接着2个字节00表示次版本号为0 ；0034代表主版本为52（jdk版本号对应的jdk版本为1.8）参考jdk版本和class字节版本的对应关系
2.3 常量个数

常量个数const_pool_count字节码为00 20对应的说明常量个数为32，实际为31个，因为首位jvm作为保留位使用。
2.4 常量池

常量池存放两大常量：字面量和符号引，字面量如文本字符串，被生命的final常量值等，而符号引用则包含类、接口的全限名称、字段、方法名称和描述符号等等。参考javap生成的类文件信息。
这里只分析下其中一个常量，在上面常量个数2个字节后面紧接着一个字节0a十进制为10，参考常量池类型10代表类中方法的符号引用。继续参考方法类型MethodRef_info个格式定义：前两个字节0004代表方法所在类名称的索引，后两个字节0001a代表一个NameAndType类型的索引。

2.5 类访问标志

紧接常量池定义完后的u2标识访问标志，本例标识为0x0021和下图标志位按位或计算，如0x0001为真，0x0020也为真，其他为否 最终确认访问标志位ACC_PUBLIC、ACC_SUPER

2.6 本类、父类、接口索引集合

根据图1的规则，u2两个字节0003标识当前类名的引用到，引用常量池数组下标为#3，根据图3所示子项的类名为com/jd/crm/Logback/TestClass；0004代表父类类名的引用常量池数组下标为#4，根据图4所示引用的父类类名为java/lang/Object；紧接着0001标识接口个数，指明数量为1,0005标识第一个接口数组中接口的名称，指向常量池中下标为5的名称为com/jd/crm/Logback/Super；
比如查找当前类索引如下图

2.7 字段表集合

字段表以数组的形式定义存储在常量表中

以上图说明，0002标识域个数为2个域标识，在本类中有两个，一个类的域字段staticVar 一个是实例对象的域字段instanceVar，如字段结构定义(下图)定义，前2个字节001a为访问标识，和类访问标识一样，分别用001a的二进制和下图字段域访问标识类型做位或运算，得出访问类型为ACC_PRIVATE类型。name_index的占用两个字节0006，指向常量表下标为6的引用，descriptor_index=0007指向常量表下标为7的引用，此处为I标识为数据类型为int，attributes_count=0001为1个，值为0008指向常量表下标为#8的引用常量ConstantValue，标识为静态变量，最终依次类推第二个域标识引用

字段结构定义
字段域的访问标志请参考类访问标志，逻辑计算一致，只是规则不一样而已 如下图

2.8 方法表集合

和域字段集合表定义类似 也是数组方式定义在常量池中 ，其中方法的结构体第四个字段attributes_count代表方法的属性数量，attribute_info就是属性的集合参考属性表集合


方法表访问标识类型
通过上面方法的访问标志、名称索引和描述索引定义方法的基本信息，方法的代码块则存放于类型为Code的属性表中。
2.9 属性表集合

类、字段表、方法表本身可包含属性表，属性表格结构体如下，属性表结构类型较多，比如有Code类型、Exception类型、MethodParameters类型等等，具体参考属性表类型。所有的属性都是引用常量池中的属性类型名称。然后根据属性的长度指定该属性的内容，根据属性的不同类型解析不同的属性值。格式定义如下

以Code属性举例，Code属性结构如下所示

jvm按属性获取attribute_name_index指向常量池一个字符串常量Code,紧接着attribute_length标识Code类型Info信息长度，这个info内容包括：max_stack 最大栈深，max_locals局部变量槽数量，code_length标识机器字节码长度，往后查询字节码如下图所示，其实就是0/1/4/5/6/9的指令集。Code类型又嵌套异常属性表、行号表LineNumberTable、LocaVariableTable 局部变量表等等信息。如下图javap生成的类定义信息

1.Code1方法执行过程：
构造方法：descriptor ()V标识无参无返回值为Void的方法索引，flags可见性修饰符；
程序运行时，先将常量池、方法字节码、字符串常量池，静态变量加载到元数据区（1.8后字符串常量池，静态变量放入了堆）；main线程开始运行，分配栈帧内存，其中操作数栈stack=2表示运行该方法所需要的最大操作数栈的深度是2；locals=1表示该运行方法所需要的最大局部方法表的最大slot数据是1；args_size是该方法的形参个数，如果是实例方法 第一个形参是this引用。此例正是this引用。所以args_size=1+实际的参数
aload_0: 加载 slot0的局部变量，即this,作为下面的invokespecial 构造方法调用的参数

invokespecial: 调用构造方法，常量池第#1项，即【Method java/lang/Object.""
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