從1+1=2來理解Java字節碼

2021-01-07 咔咔侃技術

背景

前不久《深入理解Java虛擬機》第三版發布了，趕緊買來看了看新版的內容，這本書更新了很多新版本虛擬機的內容，還對以前的部分內容進行了重構，還是值得去看的。本著複習和鞏固的態度，我決定來編譯一個簡單的類文件來分析Java的字節碼內容，來幫助理解和鞏固Java字節碼知識，希望也對閱讀本文的你有所幫助。

說明：本次採用的環境是OpenJdk12

編譯「1+1」代碼

首先我們需要寫個簡單的小程序，1+1的程序，學習就要從最簡單的1+1開始，代碼如下：

package top.luozhou.test;/** * @description: * @author: luozhou * @create: 2019-12-25 21:28 **/public class TestJava { public static void main(String[] args) { int a=1+1; System.out.println(a); }}寫好java類文件後，首先執行命令javac TestJava.java 編譯類文件，生成TestJava.class。 然後執行反編譯命令javap -verbose TestJava，字節碼結果顯示如下：

Compiled from "TestJava.java"public class top.luozhou.test.TestJava minor version: 0 major version: 56 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPERConstant pool: #1 = Methodref #5.#14 // java/lang/Object."<init>":()V #2 = Fieldref #15.#16 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; #3 = Methodref #17.#18 // java/io/PrintStream.println:(I)V #4 = Class #19 // top/luozhou/test/TestJava #5 = Class #20 // java/lang/Object #6 = Utf8 <init> #7 = Utf8 ()V #8 = Utf8 Code #9 = Utf8 LineNumberTable #10 = Utf8 main #11 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V #12 = Utf8 SourceFile #13 = Utf8 TestJava.java #14 = NameAndType #6:#7 // "<init>":()V #15 = Class #21 // java/lang/System #16 = NameAndType #22:#23 // out:Ljava/io/PrintStream; #17 = Class #24 // java/io/PrintStream #18 = NameAndType #25:#26 // println:(I)V #19 = Utf8 top/luozhou/test/TestJava #20 = Utf8 java/lang/Object #21 = Utf8 java/lang/System #22 = Utf8 out #23 = Utf8 Ljava/io/PrintStream; #24 = Utf8 java/io/PrintStream #25 = Utf8 println #26 = Utf8 (I)V{ public top.luozhou.test.TestJava(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=1, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return LineNumberTable: line 8: 0 public static void main(java.lang.String[]); descriptor: ([Ljava/lang/String;)V flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC Code: stack=2, locals=2, args_size=1 0: iconst_2 1: istore_1 2: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 5: iload_1 6: invokevirtual #3 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V 9: return LineNumberTable: line 10: 0 line 11: 2 line 12: 9}解析字節碼

1.基礎信息

上述結果刪除了部分不影響解析的冗餘信息，接下來我們便來解析字節碼的結果。

minor version: 0 次版本號，為0表示未使用 major version: 56 主版本號，56表示jdk12，表示只能運行在jdk12版本以及之後的虛擬機中flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPERACC_PUBLIC:這就是一個是否是public類型的訪問標誌。

ACC_SUPER: 這個falg是為了解決通過 invokespecial 指令調用 super 方法的問題。可以將它理解成 Java 1.0.2 的一個缺陷補丁，只有通過這樣它才能正確找到 super 類方法。從 Java 1.0.2 開始，編譯器始終會在字節碼中生成 ACC_SUPER 訪問標識。感興趣的同學可以點擊這裡來了解更多。

2.常量池

接下來，我們將要分析常量池,你也可以對照上面整體的字節碼來理解。

#1 = Methodref #5.#14 // java/lang/Object."<init>":()V這是一個方法引用，這裡的#5表示索引值，然後我們可以發現索引值為5的字節碼如下

#5 = Class #20 // java/lang/Object它表示這是一個Object類，同理#14指向的是一個"<init>":()V表示引用的是初始化方法。

#2 = Fieldref #15.#16 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;上面這段表示是一個欄位引用，同樣引用了#15和#16,實際上引用的就是java/lang/System類中的PrintStream對象。其他的常量池分析思路是一樣的，鑑於篇幅我就不一一說明了，只列下其中的幾個關鍵類型和信息。

NameAndType:這個表示是名稱和類型的常量表，可以指向方法名稱或者欄位的索引，在上面的字節碼中都是表示的實際的方法。

Utf8：我們經常使用的是字符編碼，但是這個不是只有字符編碼的意思，它表示一種字符編碼是Utf8的字符串。它是虛擬機中最常用的表結構，你可以理解為它可以描述方法，欄位，類等信息。 比如：

#4 = Class #19 #19 = Utf8 top/luozhou/test/TestJava這裡表示#4這個索引下是一個類，然後指向的類是#19,#19是一個Utf8表，最終存放的是top/luozhou/test/TestJava,那麼這樣一連接起來就可以知道#4位置引用的類是top/luozhou/test/TestJava了。

3.構造方法信息

接下來，我們分析下構造方法的字節碼，我們知道，一個類初始化的時候最先執行它的構造方法，如果你沒有寫構造方法，系統會默認給你添加一個無參的構造方法。

public top.luozhou.test.TestJava(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=1, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return LineNumberTable: line 8: 0descriptor: ()V :表示這是一個沒有返回值的方法。

flags: ACC_PUBLIC:是公共方法。

stack=1, locals=1, args_size=1 :表示棧中的數量為1，局部變量表中的變量為1，調用參數也為1。

這裡為什麼都是1呢？這不是默認的構造方法嗎？哪來的參數？其實Java語言有一個潛規則：在任何實例方法裡面都可以通過this來訪問到此方法所屬的對象。而這種機制的實現就是通過Java編譯器在編譯的時候作為入參傳入到方法中了，熟悉python語言的同學肯定會知道，在python中定義一個方法總會傳入一個self的參數,這也是傳入此實例的引用到方法內部，Java只是把這種機制後推到編譯階段完成而已。所以，這裡的1都是指this這個參數而已。

0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return LineNumberTable: line 8: 0經過上面這個分析對於這個構造方法表達的意思也就很清晰了。

aload_0:表示把局部變量表中的第一個變量加載到棧中，也就是this。

invokespecial:直接調用初始化方法。

return:調用完畢方法結束。

LineNumberTable:這是一個行數的表，用來記錄字節碼的偏移量和代碼行數的映射關係。line 8: 0表示，源碼中第8行對應的就是偏移量0的字節碼，因為是默認的構造方法，所以這裡並無法直觀體現出來。

另外這裡會執行Object的構造方法是因為，Object是所有類的父類，子類的構造要先構造父類的構造方法。

4.main方法信息

public static void main(java.lang.String[]); descriptor: ([Ljava/lang/String;)V flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC Code: stack=2, locals=2, args_size=1 0: iconst_2 1: istore_1 2: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 5: iload_1 6: invokevirtual #3 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V 9: return LineNumberTable: line 10: 0 line 11: 2 line 12: 9有了之前構造方法的分析，我們接下來分析main方法也會熟悉很多，重複的我就略過了，這裡重點分析code部分。

stack=2, locals=2, args_size=1:這裡的棧和局部變量表為2，參數還是為1。這是為什麼呢？因為main方法中聲明了一個變量a,所以局部變量表要加一個，棧也是，所以他們是2。那為什麼args_size還是1呢？你不是說默認會把this傳入的嗎？應該是2啊。注意：之前說的是在任何實例方法中，而這個main方法是一個靜態方法，靜態方法直接可以通過類+方法名訪問，並不需要實例對象，所以這裡就沒必要傳入了。

0: iconst_2:將int類型2推送到棧頂。

1: istore_1:將棧頂int類型數值存入第二個本地變量。

2: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;:獲取PrintStream類。

5: iload_1: 把第二個int型本地變量推送到棧頂。

6: invokevirtual #3 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V:調用println方法。

9: return:調用完畢結束方法。

這裡的LineNumberTable是有源碼的，我們可以對照下我前面描述是否正確：

line 10: 0: 第10行表示 0: iconst_2位元組碼，這裡我們發現編譯器直接給我們計算好了把2推送到棧頂了。

line 11: 2:第11行源碼對應的是 2: getstatic 獲取輸出的靜態類PrintStream。

line 12: 9:12行源碼對應的是return，表示方法結束。

這裡我也畫了一個動態圖片來演示main方法執行的過程，希望能夠幫助你理解：

總結

這篇文章我從1+1的的源碼編譯開始，分析了生成後的Java字節碼，包括類的基本信息，常量池，方法調用過程等，通過這些分析，我們對Java字節碼有了比較基本的了解，也知道了Java編譯器會把優化手段通過編譯好的字節碼體現出來，比如我們的1+1=2，字節碼字節賦值一個2給變量，而不是進行加法運算，從而優化了我們的代碼，提搞了執行效率。

轉自：https://my.oschina.net/luozhou/blog/3150191

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