JVM——类文件结构

た入场券 2024-03-25 13:06 42阅读 0赞

**目录**

引言

java的平台无关性

一、Class类文件的结构

1.魔数与Class文件的版本

2.常量池

3.访问标志

二、字节码指令简介

1.字节码与数据类型

2.加载和存储指令

3.运算指令

4.类型转换指令

5.对象创建与访问指令

6.操作数栈管理指令

7.控制转移指令

8.方法调用和返回指令

9.异常处理指令

10.同步指令

三、总结：

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## 引言 ##

曾记得在第一堂计算机程序课上老师就讲过：“ 计算机只认识 0 和 1 ，所以我们写的程序需要被编译 器翻译成由0 和 1 构成的二进制格式才能被计算机执行。 ” 十多年过去了，今天的计算机仍然只能识别 0 和1 ，但由于最近十年内虚拟机以及大量建立在虚拟机之上的程序语言如雨后春笋般出现并蓬勃发展， 把我们编写的程序编译成二进制本地机器码（Native Code ）已不再是唯一的选择，越来越多的程序语 言选择了与操作系统和机器指令集无关的、平台中立的格式作为程序编译后的存储格式。

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## java的平台无关性 ##

Java是一门跨平台的语言，Java是平台无关性的，这也是Java语言可以迅速崛起并风光无限的一个重要原因。

**平台无关性**就是一种语言在计算机上的运行不受平台的约束，一次编译，到处执行（Write Once ,Run Anywhere）。也就是说，用Java创建的可执行二进制程序，能够不加改变的运行于多个平台。

对于Java的平台无关性的支持，就像对安全性和网络移动性的支持一样，是分布在整个Java体系结构中的。其中扮演者重要的角色的有**Java语言规范、Class文件、[Java虚拟机][Java]（JVM）等**。各种不同平台的Java虚拟机，以及所有平台都统一支持的程序存储格式——字节码（Byte Code） 是构成平台无关性的基石

## **一、Class类文件的结构** ##

Class文件是一组以8个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地排列在文件之中，中间没有添加任何分隔符

Class的结构不像 XML 等描述语言，由于它没有任何分隔符号， 无论是顺序还是数量，甚至于数据存储的字节序（ Byte Ordering ， Class 文件中字节序为Big-Endian ）这样的细节，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，全部都不允许改变。

### **1.魔数与Class文件的版本**  ###

每个Class文件的头4个字节被称为**魔数（Magic Number）**，它的唯一作用是确定这个文件是否为 一个能被虚拟机接受的Class文件。紧接着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号：第5和第6个字节是**次版本号（Minor Version）**，第7和第8个字节是**主版本号（Major Version）**

###  **2.常量池**  ###

*  被模块导出或者开放的包（Package） 
 *  类和接口的全限定名（Fully Qualified Name） 
 *  字段的名称和描述符（Descriptor） 
 *  方法的名称和描述符 
 *  方法句柄和方法类型（Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic） 
 *  动态调用点和动态常量（Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant）

### **3.访问标志**  ###

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##  **二、字节码指令简介** ##

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的参数（称为操作数，Operand）构成。

字节码指令集可算是一种具有鲜明特点、优势和劣势均很突出的指令集架构，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能够超过256条；又由于 Class文件格式放弃了编译后代码的操作数长度对齐，这就意味着虚拟机在处理那些超过一个字节的数据时，不得不在运行时从字节中重建出具体数据的结构

### 1.**字节码与数据类型**  ###

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###  2.加载和存储指令  ###

*  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

### **3.运算指令**  ###

*  加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd 
 *  减法指令：isub、lsub、fsub、dsub 
 *  乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul 
 *  除法指令：idiv、ldiv、fdiv、ddiv 
 *  求余指令：irem、lrem、frem、drem 
 *  取反指令：ineg、lneg、fneg、dneg 
 *  位移指令：ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr 
 *  按位或指令：ior、lor 
 *  按位与指令：iand、land 
 *  按位异或指令：ixor、lxor 
 *  局部变量自增指令：iinc 
 *  比较指令：dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp

### **4.类型转换指令**  ###

*  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

### **5.对象创建与访问指令**  ###

*  创建类实例的指令：new 
 *  创建数组的指令：newarray、anewarray、multianewarray 
 *  访问类字段（static字段，或者称为类变量）和实例字段（非static字段，或者称为实例变量）的 
 *  指令：getfield、putfield、getstatic、putstatic 
 *  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储存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 
 *  检查类实例类型的指令：instanceof、checkcast

### **6.操作数栈管理指令**  ###

*  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

###  **7.控制转移指令** ###

*  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

### **8.方法调用和返回指令**  ###

*  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：用于调用类静态方法（static方法）。

### **9.异常处理指令**  ###

在Java 虚拟机中，处理异常（catch语句）不是由字节码指令来实现的（很久之前曾经使用 jsr 和 ret指令来实现，现在已经不用了），而是采用异常表来完成。

### **10.同步指令**  ###

同步一段指令集序列通常是由Java语言中的synchronized语句块来表示的，Java虚拟机的指令集中 有monitorenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字的语义，正确实现synchronized关键字 需要Javac编译器与Java虚拟机两者共同协作支持

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## 三、总结： ##

Class文件是 Java 虚拟机执行引擎的数据入口，也是 Java 技术体系的基础支柱之一。了解 Class 文件 的结构对后面进一步了解虚拟机执行引擎有很重要的意义。

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[Java]: https://so.csdn.net/so/search?q=Java%E8%99%9A%E6%8B%9F%E6%9C%BA&spm=1001.2101.3001.7020
[93513c1ec8554ceab76e63b7b56e6511.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/e85913d099b14a7196267291f4201860.png
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[2d8dc02b148a455d99cabf4160e6fe66.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/fb12e64abdd845668439816d03da21a0.png
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