大家好，由于最近被動態(tài)加載的知識卡住，而動態(tài)加載涉及到j(luò)ava虛擬機(jī)中的加載機(jī)制，因此我決定花一定的時(shí)間來學(xué)習(xí)java虛擬機(jī)，特別是類加載部分，主要參照《深入理解java虛擬機(jī)》這本書進(jìn)行學(xué)習(xí)，這本書的pdf版請前往鏈接獲取。
http://download.csdn.net/detail/hollow12384/9606072
今天是java虛擬機(jī)的第一門課程，主要講解的內(nèi)容如下：
（1）java虛擬機(jī)的語言無關(guān)性
（2）Class文件結(jié)構(gòu)概述
（3）解剖Class文件每個(gè)字節(jié)的含義
java面世時(shí)就提出一個(gè)口號：”一次編寫，到處運(yùn)行“，這句話表明了java的目標(biāo)是跨平臺運(yùn)行，這個(gè)目標(biāo)最終怎么實(shí)現(xiàn)呢？自然是通過操作系統(tǒng)的
應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，而實(shí)現(xiàn)的方式就是虛擬機(jī)了。只要不同平臺的虛擬機(jī)和所有平臺都使用統(tǒng)一的程序存儲格式—–字節(jié)碼格式，就能達(dá)到跨平臺的目的。
這里就涉及到一個(gè)概念，什么是字節(jié)碼格式？
字節(jié)碼（英語：Bytecode）通常指的是已經(jīng)經(jīng)過編譯，但與特定機(jī)器碼無關(guān)，需要直譯器轉(zhuǎn)譯后才能成為機(jī)器碼的中間代碼。字節(jié)碼通常不像源碼一樣可以讓人閱讀，而是編碼后的數(shù)值常量、引用、指令等構(gòu)成的序列。
字節(jié)碼主要為了實(shí)現(xiàn)特定軟件運(yùn)行和軟件環(huán)境、與硬件環(huán)境無關(guān)。字節(jié)碼的實(shí)現(xiàn)方式是通過編譯器和虛擬機(jī)器。編譯器將源碼編譯成字節(jié)碼，特定平臺上的虛擬機(jī)器將字節(jié)碼轉(zhuǎn)譯為可以直接執(zhí)行的指令。字節(jié)碼的典型應(yīng)用為Java bytecode。
通俗的說，字節(jié)碼就是源碼經(jīng)過編譯器后出來的東西。
字節(jié)碼本質(zhì)上就是二進(jìn)制碼。
不過，java的強(qiáng)大之處不止在于跨平臺，java不僅具有平臺無關(guān)性，而且具有很強(qiáng)的語言無關(guān)性。什么意思呢？
不管是什么語言，只要對應(yīng)的編譯器能夠?qū)⒊绦虼a編譯成Class文件，java虛擬機(jī)并不在乎到底Class文件是由什么得來的，只要它符合Class文件結(jié)構(gòu)的要求，就能在java虛擬機(jī)中運(yùn)行。
前面我們已經(jīng)介紹了，java虛擬機(jī)運(yùn)行的是Class文件，那么Class文件到底是什么呢？Class文件的結(jié)構(gòu)又該符合什么要求呢？下面講解的就是這個(gè)內(nèi)容。
首先明確一點(diǎn)，Class文件是一組以8個(gè)字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進(jìn)制流。Class文件流中沒有分割符，這使得Class文件儲存的數(shù)據(jù)幾乎都是有效的關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。有人可能會問，如果儲存的數(shù)據(jù)需要占用8個(gè)字節(jié)以上的空間怎么辦呢？這個(gè)時(shí)候就按照高位在前的方式，分割成若干個(gè)8個(gè)字節(jié)進(jìn)行儲存。
那具體應(yīng)該怎么儲存呢？Class文件格式采用了類似于C語言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)進(jìn)行儲存。這種結(jié)構(gòu)只有兩種數(shù)據(jù)類型：無符號數(shù)和表。后面關(guān)于Class文件的結(jié)構(gòu)解析都要建立在這兩種數(shù)據(jù)類型上，因此先講解這兩種數(shù)據(jù)類型。
無符號數(shù)屬于基本的數(shù)據(jù)類型，以u1,u2,u4,u8分別代表1個(gè)字節(jié)，2個(gè)字節(jié)，4個(gè)字節(jié)和8個(gè)字節(jié)的無符號數(shù)，無符號數(shù)可以用來描述數(shù)字，索引引用，數(shù)量值，或者按照utf-8編碼構(gòu)成字符串值。
表是由多個(gè)無符號數(shù)或其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型。所有的表都習(xí)慣性的用_info結(jié)尾，因此可以用這個(gè)來區(qū)分表和無符號數(shù)。整個(gè)Class本質(zhì)上就是一張表，它由以下的數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成：
無論是無符號數(shù)還是表，如果需要描述同一個(gè)類型并且數(shù)據(jù)量不多，經(jīng)常會使用一個(gè)前置的容量計(jì)數(shù)器加上若干個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的形式，這個(gè)時(shí)候稱這一系列連續(xù)的某個(gè)類型的數(shù)據(jù)為某一類型的集合。
第二點(diǎn)說明了Class文件采用無符號數(shù)和表來儲存數(shù)據(jù)，但是具體怎么儲存呢？儲存的規(guī)則是什么呢？
在正式講解之前，建議大家先下載安裝一個(gè)軟件WinHex，我們將使用這個(gè)軟件來將.class字節(jié)碼文件轉(zhuǎn)化為16進(jìn)制數(shù)進(jìn)行解析。
接下來先對Class文件解析的規(guī)則進(jìn)行解釋：
整個(gè).class文件轉(zhuǎn)化為16進(jìn)制后就是按照上述這張表進(jìn)行解析。
接下來就耐心地對表里的每一項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)解釋。
在解釋之前，由于我比較傾向于用實(shí)例解釋，因此我用一個(gè)實(shí)在的java項(xiàng)目生成的.class文件進(jìn)行解析。
當(dāng)然，這個(gè)java項(xiàng)目十分簡單，只有一個(gè)類，
這個(gè)類位于這個(gè)包內(nèi)：
到這個(gè)包所在的目錄，打開bin，在里面就可以找到.class文件（注意，我們是對.class文件解析而不是.java文件，還記得嗎？進(jìn)入java虛擬機(jī)的是.class文件而不是.java文件）
然后用winHex打開這個(gè).class文件，就可以看到.class文件的16進(jìn)制表示了。
好了，做足了準(zhǔn)備工作，就可以開始解析了。
ps：由于篇幅較長，因此我將這部分分為兩篇博客，這篇博客講解的前四個(gè)屬性，剩余的屬性見JAVA虛擬機(jī)入門（1）———-類文件結(jié)構(gòu)（下）
Class文件的前4個(gè)字節(jié)稱為魔數(shù)，是用于確定這個(gè)文件是否是可以被java虛擬機(jī)接受的.class文件，為啥不用后綴名來判斷呢？當(dāng)然是因?yàn)?/p>
后綴名實(shí)在是太容易改了，而文件格式制定者只要采用標(biāo)示文件格式的魔數(shù)，并且魔數(shù)沒有被其他人采用，那就可以起到標(biāo)示的作用了。Class文件的魔數(shù)是
CAFE BABE（咖啡寶貝），是否特別好記？看我們解析出來的16機(jī)制文件前四個(gè)字節(jié)，正是CAFE BABE！
魔數(shù)后面緊跟著的就是版本號了，包括次版本號和主版本號，各占2個(gè)字節(jié)。在我們的例子中就是0000和0034，0000說明此版本號為0，0034說明主版本號為52，因此編譯器jdk的版本就是52.0。
常量池是Class文件中出現(xiàn)的第一個(gè)表類型數(shù)據(jù)類型，而且占據(jù)著Class文件的最大空間，同時(shí)與其他項(xiàng)目的關(guān)聯(lián)最多。因此，常量池是一個(gè)比較復(fù)雜并且重要的內(nèi)容。
大家也可能注意到，在介紹常量池的時(shí)候，我用了“不定個(gè)字節(jié)”，說明常量池的字節(jié)長度是不確定的。那怎么確定常量池到底是到哪里呢？這取決于常量池
的前兩個(gè)字節(jié)u2，在這個(gè)例子中也就是0016，這表示一共有21個(gè)常量，為什么不是22呢（0016的十進(jìn)制表示就是22）？因?yàn)榈谝粋€(gè)字節(jié)是空出來
的，用于后面指向常量池的索引數(shù)據(jù)在特定情況下表達(dá)“不引用任何一個(gè)常量池項(xiàng)目”的意思，這種情況下將索引值置為0（也就是常量池第一個(gè)字節(jié)）就行了。
常量池中的常量主要包括兩大類：Leteral和符號引用（Symbolic Reference）。Literal類似于java描述的常量，如文本字符串，final修飾的類型。符號引用主要包括三類常量：
（1）類和接口的全限定名
（2）字段的名稱和限定符
（3）方法的名稱和限定符
關(guān)于類加載的知識在下節(jié)解析。
這里拋出一個(gè)問題：為什么要使用符號引用？
回到對16進(jìn)制.class文件的解析，常量池中的每一個(gè)常量都是一個(gè)表，一共有11種表結(jié)構(gòu)，他們具有共同的特征，就是第一個(gè)字節(jié)（u1）表示的是這種表的類型，接下來的字節(jié)根據(jù)他們各自的類型進(jìn)行解析。主要參考下面的表。
還是舉我們的例子，第9個(gè)字節(jié)和第10個(gè)字節(jié)（0016）表示常量池一共有21個(gè)常量，第一個(gè)常量的標(biāo)志位是07，根據(jù)上面的表得知為
CONSTANT_Class_Info（記得之前說過嗎，以info結(jié)尾的一般就是表結(jié)構(gòu)了），并且u2指定的是全限定名常量項(xiàng)的索引，在這個(gè)例子中
u2是0002，說明全限定名常量項(xiàng)在第二個(gè)常量中。第二個(gè)常量的tag是01，說明是CONSTANT_Utf8_info，u2是0011，說明
utf8字符串占據(jù)的字節(jié)數(shù)是17個(gè)字節(jié)，也就是從6A一直到下一行的74，這17個(gè)字節(jié)代表的就是全限定名常量的名字。這里就涉及到怎么翻譯utf8縮
略編碼了。
從“\u0001”到”\u007f”之間的字符用一個(gè)字節(jié)表示，”\u0080”到”\u07ff”用兩個(gè)字節(jié)表示，從”\u0800”到”\uffff”用三個(gè)字節(jié)表示。
在WinHex中，當(dāng)你選中這17個(gè)字節(jié)時(shí)，旁邊會自動顯示相應(yīng)的圖形，在這個(gè)例子中顯示的是”javaLearning/test“，正是這個(gè)項(xiàng)目的完整名字！再接下去的解析也是一樣的，就不多說了。
不過這里要重點(diǎn)說明一下，由于Class的方法，字段等都需要引用到01，也即是CONSTANT_Utf8_info，因此
CONSTANT_Utf8_info的數(shù)量直接決定了java中方法和字段的數(shù)量，CONSTANT_Utf8_info指明長度的是length字
段，長度為u2，也就是16個(gè)bit，共有65535種可能排序，因此方法數(shù)的瓶頸就是65535了！如果方法數(shù)超過了這個(gè)數(shù)，那么將導(dǎo)致無法編譯。
常量池21個(gè)常量過后就是訪問標(biāo)志了，在這個(gè)例子中是在Offset為000000D0這一行的76 61過后的兩個(gè)字節(jié)，也就是00 21。首先先來看訪問標(biāo)志都有什么，以及每個(gè)對應(yīng)的16進(jìn)制數(shù)是什么？
注意表中的每個(gè)屬性不一定與其他屬性相斥，比如ACC_PUBLIC和ACC_FINAL，一個(gè)類既可以聲明為public，也可以同時(shí)聲明為final，這個(gè)時(shí)候的標(biāo)志值就是兩者的或運(yùn)算了（0001 | 0010）。
回歸到我們的例子中，我們的例子只有聲明了public，那是不是就是0001呢？請注意，ACC_SUPER說明了，jdk1.2以后編譯出來的
類都會有這個(gè)標(biāo)志，而根據(jù)前面我們讀到的jdk版本號，肯定大于1.2，因此絕對是帶有這個(gè)標(biāo)志的。所以真正的標(biāo)志位為0001 | 0020 =
0021，和我們讀出來的結(jié)果相符合了。
好了，這就是類文件結(jié)構(gòu)最基本的前面幾個(gè)字節(jié)碼了，感興趣的各位可以看JAVA虛擬機(jī)入門（1）——-類文件結(jié)構(gòu)（下）???
