JVM 实践 -- 实例解析字节码常量池

目标

本文通过一个具体案例将 class 文件常量池数据结构和二进制文件存储格式对应起来分析，帮助加深对字节码常量池的理解。

字节码存储格式

为了能看懂二进制文件，需了解 class 字节码的存储格式，如下图所示：

注：u4 代表无符号 4 字节。

具体说明如下：

本文只分析常量池部分。常量池的结构如下：

常量池是一个变长结构，它的第一部分是 2 字节表示的池大小；第二部分是常量池项集合（索引号从 1 开始，0 属于保留索引，供特殊情况使用。最多包涵 n-1 个元素，因为 long 和 double 类型的常量会占用 2 个索引位置）。

每个常量池项的结构用伪代码表示如下：

第一个字节表示类型（tag），然后接下来的几个字节表示具体的内容。

常量池类型总共有 14 种，如下图：

案例分析

下面开始分析实例，代码如下：

public class Hello {  private int a = 1;  private long b = 2L;  public static void main(String[] args) {    System.out.println("Hello, World");   }}

1）使用 javac 编译源文件：

javac Hello.java

2）使用 javap 工具查看.class:

javap -v Hello

可以看到常量池中总共有 38 个常量项（池大小=38+1=39）。同时 Long 占了 #13-#14 两个索引值。

3）使用 vi 查看.class 文件：

vi -b Hello.class

输入：:%!xxd

十六进制表示结果如图：

4）将二进制里面的各个常量项逐个找出来，根据索引跟 javap 的输出结果做对应

下面是前面 7 个常量项的对应示意图，通过不同的颜色做区分：

分析如下：

1、前面 8 字节为魔数和版本号，第 9～10 字节为常量池大小为：0027，即：39。

2、索引 #1 的常量项类型为 0a，查表可知为 MethodRef 类型，该类型结构如下：

CONSTANT_Fieldref_info {
u1 tag;    // 固定为10
u2 class_index;    // 指向CONSTANT_Class_info的常量池索引值，表示方法所在的类信息
u2 name_and_type_index;  // 指向CONSTANT_NameAndType_info的常量池索引值，表示方法的方法名、参数和返回值类型
}

从图中可知，其 class_index 为 0002（#2），name_and_type_index 为 0003（#3）。

3、索引 #2 的常量项类型为 07，查表为 Class 类型，该类型结构如下：

CONSTANT_Class_info {
u1 tag;    // 值固定为7
u2 name_index;  // 常量池索引，指向CONSTANT_Utf8_info常量，这个字符串存储的是类或接口的全限定名
}

其 name_index 为 0004（#4）

4、索引 #3 的常量项类型为 0c，查表为 NameAndType 类型，该类型结构如下：

CONSTANT_NameAndType_info{
u1 tag;    // 固定为12
u2 name_index;    // 指向常量池中的CONSTANT_Utf8_info的索引，字段或方法的名字
u2 descriptor_index;  // 指向常量池中的CONSTANT_Utf8_info的索引，字段或方法的描述符
}

其 name_index 为 0005（#5），descriptor_index 为 0006（#6）。

5、索引 #4～#6 常量项类型都为 01，查表为 Utf8 类型，该类型结构如下：

CONSTANT_Utf8_info {
u1 tag;    // 固定值1
u2 length;    // 表示第三部分byte数组的长度
u1 bytes[length];  // 采用MUTF-8编码的长度为length的字节数组  }

对应图中的黄、红、绿三条横线。

6、索引 #7 常量项类型为 09，查表为 Fieldref 类型，该类型结构如下：

ONSTANT_Fieldref_info {
u1 tag;    
u2 class_index;    
u2 name_and_type_index;
}

其 class_index 为 0008（#8），name_and_type_index 为 0009（#9）。

剩下的常量项按上述分析方法可逐一找出，不再赘述。

参考资料：

1、《深入理解 JVM 字节码》-张亚

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