玩命学JVM：认识JVM和字节码文件

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source：https://www.cnblogs.com/cleverziv/p/13751488.html

本篇文章的思维导图

一、JVM的简单介绍 1.1 JVM是什么？

JVM (java virtual machine)，java虚拟机，是一个虚构出来的计算机，但是有自己完善的硬件结构：处理器、堆栈、寄存器等。java虚拟机是用于执行字节码文件的。

1.2 JAVA为什么能跨平台？

首先我们可以问一个这样的问题，为什么 C 语言不能跨平台？如下图：

C语言在不同平台上的对应的编译器会将其编译为不同的机器码文件，不同的机器码文件只能在本平台中运行。

而java文件的执行过程如图： java通过javac将源文件编译为.class文件（字节码文件），该字节码文件遵循了JVM的规范，使其可以在不同系统的JVM下运行。

小结

• java 代码不是直接在计算机上执行的，而是在JVM中执行的，不同操作系统下的 JVM 不同，但是会提供相同的接口。

• javac 会先将 .java 文件编译成二进制字节码文件，字节码文件与操作系统平台无关，只面向 JVM， 注意同一段代码的字节码文件是相同的。

• 接着JVM执行字节码文件，不同操作系统下的JVM会将同样的字节码文件映射为不同系统的API调用。

• JVM不是跨平台的，java是跨平台的。

1.3 JVM为什么跨语言

前面提到".class文件是一种遵循了JVM规范的字节码文件"，那么不难想到，只要另一种语言也同样了遵循了JVM规范，可将其源文件编译为.class文件，就也能在 JVM 上运行。如下图：

1.4 JDK、JRE、JVM的关系

我们看一下官方给的图：

1.4.1 三者定义

• JDK：JDK(Java SE Development Kit)，Java标准开发包，它提供了编译、运行Java程序所需的各种工具和资源，包括Java编译器（javac）、Java运行时环境(JRE)，以及常用的Java类库等。

• JRE：JRE( Java Runtime Environment) 、Java运行环境，用于解释执行Java的字节码文件。普通用户而只需要安装 JRE 来运行 Java 程序。而程序开发者必须安装JDK来编译、调试程序。

• JVM：JVM(Java Virtual Mechinal)，是JRE的一部分。负责解释执行字节码文件，是可运行java字节码文件的虚拟计算机。

1.4.2 区别和联系

1. JDK 用于开发，JRE 用于运行java程序 ；如果只是运行Java程序，可以只安装JRE，无需安装JDK。

2. JDk包含JRE，JDK 和 JRE 中都包含 JVM。

3. JVM 是 java 编程语言的核心并且具有平台独立性。

二、字节码文件详解

官方文档地址：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se11/html/jvms-4.html#jvms-4.1

2.1 字节码文件的结构

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];
}

• "ClassFile"中的“u4、u2”等指的是每项数据的所占的长度，u4表示占4个字节，u2表示占2个字节，以此类推。

• .class文件是以16进制组织的，一个16进制位可以用4个2进制位表示，一个2进制位是一个bit，所以一个16进制位是4个bit，两个16进制位就是8bit = 1 byte。以Main.class文件的开头cafe为例分析： 因此 u4 对应4个字节，就是 cafe babe

接下来先分析 ClassFile的结构：

1. magic 在 class 文件开头的四个字节， 存放着 class 文件的魔数， 这个魔数是 class 文件的标志，是一个固定的值：0xcafebabe 。也就是说他是判断一个文件是不是 class 格式的文件的标准， 如果开头四个字节不是 0xcafebabe ， 那么就说明它不是 class 文件， 不能被 JVM 识别。

2. minor_version 和 major_version 次版本号和主版本号决定了该class file文件的版本，如果 major_version 记作 M，minor_version 记作 m ，则该文件的版本号为：M.m。因此，可以按字典顺序对类文件格式的版本进行排序，例如1.5 <2.0 <2.1。当且仅当v处于 Mi.0≤v≤Mj.m 的某个连续范围内时，Java 虚拟机实现才能支持版本 v 的类文件格式。范围列表如下：

3. constant_pool_count constant_pool_count 项的值等于 constant_pool 表中的条目数加1。如果 constant_pool 索引大于零且小于 constant_pool_count，则该索引被视为有效，但 CONSTANT_Long_info 和CONSTANT_Double_info 类型的常量除外。

4. constant_pool constant_pool 是一个结构表，表示各种字符串常量，类和接口名称，字段名称以及在ClassFile 结构及其子结构中引用的其他常量。每个 constant_pool 表条目的格式由其第一个“标签”字节指示。constant_pool 表的索引从1到 constant_pool_count-1。 Java虚拟机指令不依赖于类，接口，类实例或数组的运行时布局。相反，指令引用了constant_pool 表中的符号信息。 所有 constant_pool 表条目均具有以下常规格式：

   cp_info {
       u1 tag;
       u1 info[];
   }

constant_pool 表中的每个条目都必须以一个1字节的标签开头，该标签指示该条目表示的常量的种类。常量有17种，在下表中列出，并带有相应的标记。每个标签字节后必须跟两个或多个字节，以提供有关特定常数的信息。附加信息的格式取决于标签字节，即info数组的内容随标签的值而变化。

1. access_flags access_flags 项的值是标志的掩码，用于表示对该类或接口的访问权限和属性。设置后，每个标志的解释在下表中指定。

2. this_class this_class 项目的值必须是指向 constant_pool 表的有效索引。该索引处的 constant_pool 条目必须是代表此类文件定义的类或接口的 CONSTANT_Class_info 结构。

   CONSTANT_Class_info {
         u1 tag;
         u2 name_index;
   }

3. super_class 对于一个类，父类索引的值必须为零或必须是 constant_pool 表中的有效索引。如果super_class 项的值非零，则该索引处的 constant_pool 条目必须是 CONSTANT_Class_info 结构，该结构表示此类文件定义的类的直接超类。直接超类或其任何超类都不能在其 ClassFile结构的 access_flags 项中设置 ACC_FINAL 标志。如果 super_class 项的值为零，则该类只可能是 java.lang.Object ，这是没有直接超类的唯一类或接口。对于接口，父类索引的值必须始终是 constant_pool 表中的有效索引。该索引处的 constant_pool 条目必须是 java.lang.Object 的CONSTANT_Class_info 结构。

4. interfaces_count interfaces_count 项目的值给出了此类或接口类型的直接超接口的数量。

5. interfaces[] 接口表的每个值都必须是 constant_pool 表中的有效索引。interfaces [i]的每个值（其中0≤i