字节码基础知识

简单介绍

首先先简单描述一下JVM和字节码。JVM（java虚拟机）是java的核心组件，java（也可是scala、grovvy等语言）通过编译器编译成字节码文件（.class文件），并在任何一台状态JVM的设备上运行。当JVM加载字节码文件时候，会通过解释或者实时编译的方式将字节码转换成具体的机器指令。

从上述可以看出来，字节码是一种介乎于源代码和机器指令之间的语言，可以使java程序达到"一次编译，到处运行"的目标。

字节码的结构和组成

字节码由以下几个部分组成

1. 魔数：字节码文件前四个字节是魔数，用于标识这是一个有效的字节码文件。魔数固定为

0xCAFEBABE

2. 版本信息：包括主版本号和次版本号，表示生成字节码的JDK版本

3. 常量池：包含字节码文件中所有的常量和符号引用，包含类和接口完全限定名、字段名称和描述符、方法名称和描述符、final常量值等

4. 类访问表示：定义了类的访问权限和属性，如public、private、abstract、final

5. 类信息：包含当前类和父类的完全限定名

6. 接口信息：包含实现接口的完全限定名

7. 字段表：包含了类或接口中声明的所有字段信息

8. 方法表：包含了类或接口中声明的所有方法信息

9. 类属性表：包含了类或接口中的一些额外信息，例如源文件名、注解信息等

如何查看和理解字节码

我们用一个例子来理解字节码中各个组成部分

下图为源码文件和字节码文件

下图为class字节码文件结构

1、魔数

首先我们看源码文件和字节码文件的图，结合class字节码文件结构。可以看出字节码文件中， 前四个字节CA FE BA BE便是上文所说的魔数。即划线部分

2、版本信息

00 00 00 34为jdk版本号，16进制转10进制后，副版本号为0，主版本号是52。根据版本号和jdk映射关系，可以确定对应的是JDK8。版本信息和jdk映射关系图如下

3、常量池

常量池的"常量类型和结构"图如下

00 1C是常量计数器，换算成十进制为28，说明有28-1个常量（下标为0的未使用，需减1。00000000行 A列的值为0A，换算成10进制为10。结合"常量类型和结构"图可知，常量类型为CONSTANT_Methodref_info，属于符号引用，字节长度为u1+u2+u2，也就是字节码文件中第一行的A-E列的值：0A 00 06 00 16，其中0A为固定的tag值，00 06换算成10进制为6，我们记做cp_info#6，00 16换算成10进制为22，我们记做cp_info#22。同理，按照常量类型和类型对应的长度，我们梳理剩下的常量列，我们有以下图表格

如何我们使用javap -v TestClass.class命令会出现如下图的输出，可以看到图中Constant pool下面部分和我们上图的excel中的细节值描述部分相同

4、类访问表示

根据class字节码文件结构，常量池后面的字节为类访问标识（长度u2）,类访问标识为00 21。参考下图，下图的计算规则为位或。00 21由0x0001位为真，0x0020位为真，其余为否得出。最终访问的标记为ACC_PUBLIC、ACC_SUPER。可以看出来该类的访问标识为为public

5、类信息

类的索引集合（3个u2长度+ 索引个数乘u2长度）。类索引 00 05，父类索引 00 06，接口计数器 00 00

6、接口信息

因为没有接口，所以跳过接口信息

7、字段表

字段表前两位是字段个数，字段表中每个成员都是field_info结构，field_info又由access_flags(访问标识)、name_index(字段名索引）、descriptor_index（字段描述符索引）、attributes_count（属性数量）和attributes（属性表）组成。

我们当前的字节码文件中，前两位是00 02，代表着2个字段。首先我们解析第一个字段项：

1. access_flags（访问标识）： 表示字段的访问权限和特性。也是通过位或的计算规则。也就是00 02，为0x0002为真，其余为否，也就是private

2. name_index（字段名索引）： 指向常量池中存储字段名的常量项的索引。在字节码文件中为00 07 ，也就是cp_info#7对应着 a

3. descriptor_index（字段描述符索引）： 指向常量池中存储字段描述符的常量项的索引。在字节码文件中为00 08，对应着cp_info#8，查看常量池中为 Ljava/lang/String;基础类型有，可以看出L开头的为引用类型

4. attributes_count（属性数量）： 表示与字段关联的属性的数量。属性数量为 00 00 ，也就是0，不用考虑属性表

5. attributes（属性表）： 包含与字段关联的属性信息。因为没有属性表，所以不用考虑

综上上述，可以得到我们有个private java.lang.String类型的字段名为a的字段。因为字段个数为2，所以继续解析另外一个字段，得到public I b，I的含义为int类型。

8、方法表

方法表的前两位是方法计数器，方法表中每个成员都是method_info格式，method_info又由access_flags(访问标识)、name_index(方法名索引）、descriptor_index（字方法述符索引）、attributes_count（属性数量）和attributes（属性表）组成。

当前字节码文件中，我们的方法计数器为00 02，也就是有2个方法。我们逐个进行解析

8.1 方法表的解析

1. access_flags（访问标识）： ：表示方法的访问权限和特性。在字节码文件中为00 01，也就是public。

2. name_index（字段名索引）： 指向常量池中存储方法名的常量项的索引。在字节码文件中为00 0B，对应着常量池中的cp_info#11,

3. descriptor_index（字段描述符索引）： 指向常量池中存储方法描述符的常量项的索引。在字节码文件中为00 0C，对应着常量池中的cp_info#12, ()V

4. attributes_count（属性数量）： 表示与方法关联的属性的数量。在字节码文件中为00 01，也就是有1个属性

5. attributes（属性表）： 包含与方法关联的属性信息。具体解析详见 8.2 属性表的解析

8.2 属性表的解析

属性名为Code的属性表属性如下图：

全部属性和说明地址

docs.oracle.com/javase/spec…

我们对具体的Code属性进行解析得到下表：

其中Code属性表属性中的存储字节码指定由于过多，不做详细介绍，可以参考字节码指令的详细说明：docs.oracle.com/javase/spec…

至此，我们方法表解析完毕，如果我们通过javap -v TestClass.class命令可以看出我们解析出来的内容和下图一致

9、类属性表

前两位为00 01，是方法表的结束标识，非类属性表内容。类属性表有三部分组成

解析出来的内容即为 SourceFile: "TestClass.java"。

总结

至此，我们全部的字节码解析完毕。可以看出，我们完全可以通过按照java语言规范，修改字节码文件，达到对现有代码进行增强和扩展的目的。