读懂Java字节码文件

忘是亡心i 2023-10-04 14:44 18阅读 0赞

# Java字节码的来源与去向 #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

> \*.java源码文件使用javac命令编译得到\*.class字节码文件。
> 
> （字节码文件与操作系统无关，与JVM有关。针对不同的操作系统有不同的JVM。JVM可以解释字节码文件，生成能够被操作系统识别的机器码。）
> 
> \*.class字节码文件使用java命令运行，会首先被“类加载器”加载到JVM中。
> 
> JVM会将\*.class字节码二进制数据存在“方法区”中。
> 
> （方法区只是JVM规范定义的一种概念，具体实现是元空间jdk8）

# Java字节码文件结构 #

package com.qfc.test.thread;
    
    public class HelloWorld {
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println("Hello World");
        }
    }

上述Java源码编译生成class文件后，使用命令

> javap -v HelloWorld.class

即可查看反编译的class文件，class文件结构可以分为三块

## 1.类基本信息 ##

Classfile /C:/Users/12822/IdeaProjects/JavaStudy/out/production/JavaStudy/com/qfc/test/thread/HelloWorld.class
      Last modified 2021-5-28; size 573 bytes
      MD5 checksum e715f5f82b48589de074e7c10942d91d
      Compiled from "HelloWorld.java"
    public class com.qfc.test.thread.HelloWorld
      minor version: 0
      major version: 52
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

> 从类基本信息中，我们可以知道Hello.class存储位置，修改时间，加密信息，源文件名字，包名，版本号，访问权限，以及父类信息

## 2.常量池信息 ##

Constant pool:
       #1 = Methodref          #6.#20         // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Fieldref           #21.#22        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       #3 = String             #23            // Hello World
       #4 = Methodref          #24.#25        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       #5 = Class              #26            // com/qfc/test/thread/HelloWorld
       #6 = Class              #27            // java/lang/Object
       #7 = Utf8               <init>
       #8 = Utf8               ()V
       #9 = Utf8               Code
      #10 = Utf8               LineNumberTable
      #11 = Utf8               LocalVariableTable
      #12 = Utf8               this
      #13 = Utf8               Lcom/qfc/test/thread/HelloWorld;
      #14 = Utf8               main
      #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
      #16 = Utf8               args
      #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
      #18 = Utf8               SourceFile
      #19 = Utf8               HelloWorld.java
      #20 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
      #21 = Class              #28            // java/lang/System
      #22 = NameAndType        #29:#30        // out:Ljava/io/PrintStream;
      #23 = Utf8               Hello World
      #24 = Class              #31            // java/io/PrintStream
      #25 = NameAndType        #32:#33        // println:(Ljava/lang/String;)V
      #26 = Utf8               com/qfc/test/thread/HelloWorld
      #27 = Utf8               java/lang/Object
      #28 = Utf8               java/lang/System
      #29 = Utf8               out
      #30 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
      #31 = Utf8               java/io/PrintStream
      #32 = Utf8               println
      #33 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V

> 常量池 主要负责 将代码中指令操作的数据 整理标记序号，方便后面代码中指令可以直接引用常量池中标记好的数据。
> 
> \#1 = Methodref \#6.\#20 // java/lang/Object."<init>":()V
> 
> \#6 = Class \#27 // java/lang/Object
> 
> \#20 = NameAndType \#7:\#8 // "<init>":()V
> 
> 其中第一列的\#1，\#6，\#20是可以被代码中指令，或者常量池中其他数据引用的。
> 
> 如\#1 代表一个Methodred方法引用，它是\#6 Obeject类 定义的 \#20 无参构造方法()V,
> 
> 其中V代表参数，()空括号代表无参。
> 
> 同理可得：
> 
> \#2 代表一个PrintStream对象，即System.out
> 
> \#3 代表一个字符串，即"Hello World"
> 
> \#4 代表PrintStream类定义的带一个String参数的方法println
> 
> \#5 代表HelloWorld类
> 
> \#6 代表Object类

## 3.代码信息 ##

{
      public com.qfc.test.thread.HelloWorld();
        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/qfc/test/thread/HelloWorld;
    
      public static void main(java.lang.String[]);
        descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
        Code:
          stack=2, locals=1, args_size=1
             0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
             3: ldc           #3                  // String Hello World
             5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
             8: return
          LineNumberTable:
            line 5: 0
            line 6: 8
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
    }
    SourceFile: "HelloWorld.java"

> 代码中主要包含字段，构造器（代码块），方法等信息
> 
> 我们以main方法为例
> 
> public static void main(java.lang.String\[\]);  
> descriptor: (\[Ljava/lang/String;)V 描述方法是带一个String数组参数的方法,\[代表数组  
> flags: ACC\_PUBLIC, ACC\_STATIC 方法是public,static的  
> Code:  
> stack=2, locals=1, args\_size=1 操作数栈深度2，局部变量表槽个数1，形参个数1  
> 0: getstatic \#2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;  
> 3: ldc \#3 // String Hello World  
> 5: invokevirtual \#4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V  
> 8: return  
> LineNumberTable:  
> line 5: 0  
> line 6: 8  
> LocalVariableTable:  
> Start Length Slot Name Signature  
> 0 9 0 args \[Ljava/lang/String;

# 关于操作数栈，和局部变量表 #

当Java启动一个线程后，JVM就会给该线程创建：

1、虚拟机栈：保存非native方法的调用信息

2、程序计数器：用来保存下次JVM“执行引擎”需要的指令信息

3、本地方法栈：保存native方法的调用信息

当线程运行中，每调用一次非native方法就会在“虚拟机栈”中压入一个“栈帧”，而栈帧结构包括：

1、局部变量表：

> 有槽位，用来存储方法中的局部变量的数据，槽位从0开始

2、操作数栈：

> 会根据JVM“执行引擎”的指令来操作被加入其中的数据。操作数栈的数据来源是JVM堆中“运行时常量池，串池”，JVM虚拟机栈的栈帧中的局部变量表。

3、方法返回地址：

> 当方法运行结束时，返回到哪

4、动态链接

# 模拟main方法字节码执行过程 #

1.执行main方法时，JVM会启动一个main线程，则会创建main线程的虚拟机栈，程序计数器，本地方法栈（本次不涉及），虚拟机栈中会创建好局部变量表，操作数栈，且表和栈的大小已经在class文件中确定了。程序计数器记录执行引擎将要执行的指令。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

> iconst\_0指令表示 创建一个常量0，并压入操作数栈中

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

> 将操作数栈顶数据存入（istore） 局部变量表槽位1处(\_1)
> 
> ![20210528223607510.png][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

> getstatic获取静态变量，并压入操作数栈

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

> ldc是指加载常量池或串池中的常量到 操作数栈中
> 
> ldc \#3 就是加载“Hello World”到操作数栈中

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 11][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][]

> invokevirtual指令用于调用对象的实例方法。
> 
> 如invokevirtual \#4 调用的是println方法，该方法的对象是0x001，即System.out
> 
> 该方法的参数即“Hello World”。
> 
> 所以需要main栈帧中操作数栈中的数据就被清空了。当println执行结束后，其栈帧被释放。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 13][] ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 14][]

后面执行引擎中的GC模块会选择时机工作，清除掉堆中的0x001对应的对象

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 15][]

# 通过字节码来破解x=x++问题 #

public class HelloWorld {
        public static void main(String[] args) {
            int x = 0;
            int i = 0;
            while (i<4){
                x= x++;
                i++;
            }
            System.out.println(x);
        }
    }

> 这道题目我曾经很困惑，为啥x不是4，而是0。
> 
> 现在通过反编译其字节码就可以知道了

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 16][]

> 我们理解x++ 先运算再自增，这里x的值有两个地方存储：局部变量表，操作数栈
> 
> 且操作数栈的值会覆盖局部变量表中的值。
> 
> x++ 对应的指令是
> 
> 9: iload\_1 先把局部变量表槽位上x的值0加载到操作数栈  
> 10: iinc 1, 1 再把局部变量表槽位上x的值自增1，则此时槽位x=1,操作数栈x=0
> 
> x = x++ 对应的指令是
> 
> 9: iload\_1  
> 10: iinc 1, 1  
> 13: istore\_1 将操作数栈x值存入 局部变量表的槽位x上，即用0覆盖了1
> 
> 所以最终x的值还是0，不管循环执行多少次都是0。

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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210528223041513.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA=,size_16,color_FFFFFF,t_70
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[20210528223607510.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210528223607510.png
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210528224541725.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA=,size_16,color_FFFFFF,t_70
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210528225537443.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA=,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210528230848395.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmY18xMjgyMjA=,size_16,color_FFFFFF,t_70
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