经验技巧

写了那么多 Java 代码，却不一定见过它的真面目

2022-02-12 16:57经验技巧

我们都知道那句著名的宣传语——「一次编写，到处运行（Write Once， Run Anywhere）」，这是对 Java 平台无关性的精准概括。字节码 + JVM 使其平台无关，与此同时也衍生出另一个无关性——语言无关性。像 Kotlin、Groovy、Scala、Clojure、JRuby 等语言都可以运行在 JVM 之上。理论上只要能将源代码编译成符合 JVM 规范的字节码，任何语言都可以在 JVM 中运行。

字节码是连接语言和 JVM 的关键桥梁，今天我们就一起聊聊这个关键人物。

概览

我们创建一个 User 类：

 package com.shuijing;

 public class User {
 }

然后通过 javac 命令编译，得到 User.class 文件。然后用支持十六进制的文本工具（比如 sublime）打开，你会看到如下内容：

Class 十六进制

在一堆看似毫无规律的字符中，我们发现开头几个字好像有什么特别的含义——cafe babe，咖啡宝贝？没错，这也解释了为啥 Java 的商标是一杯冒着热气的咖啡。开头这四个字节叫做魔数（Magic Number），它的唯一作用就是确定这是一个可以被 JVM 接受的 Class 文件。

Class 文件中没有任何分隔符，各数据项严丝合缝依次排列。哪个字节代表什么含义，谁挨着谁，长度是多少，都是有规定的，不能改变。

类文件结构

先来看一个 Class 文件的标准结构：

ClassFile {
  u4               magic;
  u2               minor_version;
  u2               major_version;
  u2               constant_pool_count;
  cp_info          constant_pool[constant_pool_count-1];
  u2               access_flags;
  u2               this_class;
  u2               super_class;
  u2               interfaces_count;
  u2               interfaces[interfaces_count];
  u2               fields_count;
  field_info       fields[fields_count];
  u2               methods_count;
  method_info      methods[methods_count];
  u2               attributes_count;
  attribute_info   attributes[attributes_count];
}

来自《The Java Virtual Machine Specification》Java SE 8 Edition

如上所示，Class 文件中包含两种数据类型：「无符号数」和「表」。

无符号数是基本类型，u1、 u2、 u4、 u8 分别表示 1 个字节、 2 个字节、 4 个字节和 8 个字节的无符号数。无符号数可以描述数字、索引引用、数量值或者按照 UTF-8 编码的字符串。

表是由多个无符号数或其他表组合而成（复杂对象），并且以「_info」结尾。一个 Class 文件可以视作一张表。

各数据项说明：

名称	类型	数量	说明
magic	u4	1	魔数：CAFE BABE
minor_version	u2	1	次版本
major_version	u2	1	主版本
constant_pool_count	u2	1	常量池计数
constant_pool	cp_info	constant_pool_count - 1	常量池
access_flags	u2	1	访问标志
this_class	u2	1	类索引
super_class	u2	1	父类索引
interfaces_cout	u2	1	接口索引计数
interfaces	u2	interfaces_count	接口索引集合
fields_count	u2	1	字段计数
fields	field_info	fields_count	字段集合
methods_count	u2	1	方法计数
methods	method_info	methods_count	方法集合
attributes_count	u2	1	属性计数
attributes	attribute_info	attributes_count	属性集合