虐心短片之类文件结构 - JavaJVM

# 前言

在这个分类中的前三篇简单的记录了一下 JVM 的运作机制，JVM 的内存划分和内存管理和 JVM 对内存区域的 GC，本篇简单的记录一下类文件结构这块的内容，这篇记录学习完准备再回去再战 Java 反序列化的学习，本篇中所有代码都在 Clown_java/src/main/java/JavaJVM at master・clown-q/Clown_java (github.com)

# 类文件结构

Java 选择了将源代码编译为与操作系统和机器指令无关的中立格式，并且通过对应的 JVM 读取和运行这些编译文件来使得代码能够跨平台

# class 文件

前面通过 Javap 命令来反编译查看字节码文件，还是前面用过的代码

	public class TestJVM {
	public int test(){
	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = a+b;
	return c;
	}
	}

这里编译后的文件可以使用 winhex 或者 010Editor 打开

这里可以看到的是，整个文件全部都是一个字节一个字节分组，从左上角向下逐行读取，这里还用 javap 命令来拿到反编译后的内容

	PS E:\study_java> javap -v E:/study_java/target/classes/JavaJVM/TestJVM.class
	Classfile /E:/study_java/target/classes/JavaJVM/TestJVM.class
	Last modified 2023年8月25日; size 401 bytes
	MD5 checksum 4580edf2ce93eb9e1d963f33771e5da9
	Compiled from "TestJVM.java"
	public class JavaJVM.TestJVM
	minor version: 0
	major version: 52
	flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
	this_class: #2 // JavaJVM/TestJVM
	super_class: #3 // java/lang/Object
	interfaces: 0, fields: 0, methods: 2, attributes: 1
	Constant pool:
	#1 = Methodref #3.#19 // java/lang/Object."<init>":()V
	#2 = Class #20 // JavaJVM/TestJVM
	#3 = Class #21 // java/lang/Object
	#4 = Utf8 <init>
	#5 = Utf8 ()V
	#6 = Utf8 Code
	#7 = Utf8 LineNumberTable
	#8 = Utf8 LocalVariableTable
	#9 = Utf8 this
	#10 = Utf8 LJavaJVM/TestJVM;
	#11 = Utf8 test
	#12 = Utf8 ()I
	#13 = Utf8 a
	#14 = Utf8 I
	#15 = Utf8 b
	#16 = Utf8 c
	#17 = Utf8 SourceFile
	#18 = Utf8 TestJVM.java
	#19 = NameAndType #4:#5 // "<init>":()V
	#20 = Utf8 JavaJVM/TestJVM
	#21 = Utf8 java/lang/Object
	{
	public JavaJVM.TestJVM();
	descriptor: ()V
	flags: (0x0001) 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 9: 0
	LocalVariableTable:
	Start Length Slot Name Signature
	0 5 0 this LJavaJVM/TestJVM;

	public int test();
	descriptor: ()I
	flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
	Code:
	stack=2, locals=4, args_size=1
	0: bipush 10
	2: istore_1
	3: bipush 20
	5: istore_2
	6: iload_1
	7: iload_2
	8: iadd
	9: istore_3
	10: iload_3
	11: ireturn
	LineNumberTable:
	line 11: 0
	line 12: 3
	line 13: 6
	line 14: 10
	LocalVariableTable:
	Start Length Slot Name Signature
	0 12 0 this LJavaJVM/TestJVM;
	3 9 1 a I
	6 6 2 b I
	10 2 3 c I
	}
	SourceFile: "TestJVM.java"

这种反编译后的内容前面的文章中已经记录过多次了，这里就不在主句分析，它采用了一种微结构体来存放数据，其中只有两种数据类型

无符号数属于基本数据类型，以 u1、u2、u4、u8 分别代表 1 个字节、2 个字节、4 个字节与 8 个字节的无符号数。无符号数通常可以用来描述数字、引用索引、数量值或按照 UTF-8 编码构成的字符串值
表是由多个无符号数或其他表作为数据项组成的复合数据结构。表的命名通常以 "_info" 结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据。整个 Class 文件也可以视为一张表

无符号数

类型	名称	数量
u4	magic	1
u2	minor_version	1
u2	major_version	1
u2	constant_pool_count	1
cp_info	constant_pool	constant_pool_count-1
u2	access_flags	1
u2	this_class	1
u2	super_class	1
u2	interfaces_count	1
u2	interfaces	interfaces_count
u2	fields_count	1
field_info	fields	fields_count
u2	methods_count	1
method_info	methods	methods_count
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

无符号数类型介绍

这里还是看 winhex 中的内容

这里前四个字节是文件头，标识这是一个 class 文件，在 Linux 系统中就是通过这个来识别文件类型

这里可以看到，在 Linux 的 file 命令中还给出了版本（52 是 JDK8,53 是 JDK9），这个信息其实就是上面的后八个字节表示的

这里次版本号是 0（现在基本不再使用），主版本号是 16 进制的 34，转换过来后其实就是 52，这个版本号的作用实际上就是来判断当前的运行环境是否兼容

java 中低版本编译文件是可以在高版本中运行的

然后再紧接着就是常量池中的数据了

这两个字节存放的是常量池中常量的数量

这两个字节存放的是 16 进制，比如这个 16 就是 22，但是是从 1 开始计算的，所以这里有 21 个常量

对应的常量池数据，这里直接看 javap 反编译得到的数据

这里安装一下 IDEA 上的插件 jclasslib 来看一下

安装完成后，选中字节码文件，然后点击视图选择工具

然后就可以在右边看到

这里可以看到下面也是列出了方法等信息

值得注意的是，如果这里有静态代码块

就会存在这个 clinit 方法

# 字节码指令

在上面一张图中，可以看到 clinit 的字节码，这里来看一下 test 方法的字节码指令

	0 bipush 10 //将常量值10（即一个字节的整数）推送到操作数栈上
	2 istore_1 //将操作数栈顶的整数值存储到局部变量1中
	3 bipush 20 //将常量值20推送到操作数栈上
	5 istore_2 //将操作数栈顶的整数值存储到局部变量2中
	6 iload_1 //将局部变量1的值加载到操作数栈上
	7 iload_2 //将局部变量2的值加载到操作数栈上
	8 iadd //从操作数栈中弹出两个整数值，将它们相加，然后将结果推送回操作数栈
	9 istore_3 //将操作数栈顶的整数值存储到局部变量3中
	10 iload_3 //将局部变量3的值加载到操作数栈上
	11 ireturn //从当前方法返回整数值，该值位于操作数栈的顶部

上面我给出了每个字节码指令的对应操作数栈上的操作，其实这块在这个分类的前前面的随笔中也有解释

# 字节码编程

在 java 中也可以直接创建一个字节码文件来像省去编译的过程。有点像是手搓汇编，现在是手搓字节码？在 Java 中内置的 ASM 框架就支持字节码编程

	public class ASMTest {
	public static void main(String[] args) {
	//ClassWriter.COMPUTE_MAXS 自动计算操作数栈和局部变量表大小，需要手动触发
	// 如果是参数是 0，不会自动计算需要自己手动指定
	// 如果是 ClassWriter.COMPUTE_FRAMES，会自动计算操作数栈和局部临时变量表大小，并且会自动计算 StackMapFrames
	ClassWriter writer = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
	}
	}

这里使用到 ClassWriter 来编辑类的字节码文件

	public class ASMTest {
	public static void main(String[] args) {
	//ClassWriter.COMPUTE_MAXS 自动计算操作数栈和局部变量表大小，需要手动触发
	// 如果是参数是 0，不会自动计算需要自己手动指定
	// 如果是 ClassWriter.COMPUTE_FRAMES，会自动计算操作数栈和局部临时变量表大小，并且会自动计算 StackMapFrames
	ClassWriter writer = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
	// 指定类的一些基本信息
	writer.visit(V1_8,ACC_PUBLIC,"JavaJVM/ClassLoaderTest/ASMTest.java",null,"java/lang/Object",null);
	}
	}

这里使用 visit 来指定类的一些基本信息

这个方法中需要我们填写的参数例如上图所示，首先是字节码文件的版本，然后是 access 权限，然后类名，然后是一个标识，父类和最后的接口

	public class ASMTest {
	public static void main(String[] args) {
	//ClassWriter.COMPUTE_MAXS 自动计算操作数栈和局部变量表大小，需要手动触发
	// 如果是参数是 0，不会自动计算需要自己手动指定
	// 如果是 ClassWriter.COMPUTE_FRAMES，会自动计算操作数栈和局部临时变量表大小，并且会自动计算 StackMapFrames
	ClassWriter writer = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
	// 指定类的一些基本信息
	writer.visit(V1_8,ACC_PUBLIC,"JavaJVM/ClassLoaderTest/ASMTest",null,"java/lang/Object",null);
	// 调用 visitEnd
	writer.visitEnd();

	try(FileOutputStream stream = new FileOutputStream("./ASMtest.class")){
	stream.write(writer.toByteArray());
	}catch (IOException e){
	e.printStackTrace();
	}
	}
	}

一个简答的类字节码文件就创建好了

这里就只有类的一些基本信息，这里来给其添加构造方法

	public class ASMTest {
	public static void main(String[] args) {
	//ClassWriter.COMPUTE_MAXS 自动计算操作数栈和局部变量表大小，需要手动触发
	// 如果是参数是 0，不会自动计算需要自己手动指定
	// 如果是 ClassWriter.COMPUTE_FRAMES，会自动计算操作数栈和局部临时变量表大小，并且会自动计算 StackMapFrames
	ClassWriter writer = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
	// 指定类的一些基本信息
	writer.visit(V1_8,ACC_PUBLIC,"JavaJVM/ClassLoaderTest/ASMTest",null,"java/lang/Object",null);
	writer.visitMethod(ACC_PUBLIC,"<init>","()V",null,null);

	// 调用 visitEnd 结束写入
	writer.visitEnd();

	try(FileOutputStream stream = new FileOutputStream("./ASMtest.class")){
	stream.write(writer.toByteArray());
	}catch (IOException e){
	e.printStackTrace();
	}
	}
	}

	public class ASMTest {
	public static void main(String[] args) {
	//ClassWriter.COMPUTE_MAXS 自动计算操作数栈和局部变量表大小，需要手动触发
	// 如果是参数是 0，不会自动计算需要自己手动指定
	// 如果是 ClassWriter.COMPUTE_FRAMES，会自动计算操作数栈和局部临时变量表大小，并且会自动计算 StackMapFrames
	ClassWriter writer = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
	// 指定类的一些基本信息
	writer.visit(V1_8,ACC_PUBLIC,"JavaJVM/ClassLoaderTest/ASMTest",null,"java/lang/Object",null);
	MethodVisitor methodVisitor = writer.visitMethod(ACC_PUBLIC, "<init>", "()V", null, null);

	methodVisitor.visitCode();

	Label label = new Label();
	methodVisitor.visitLabel(label);
	methodVisitor.visitLineNumber(11,label);

	methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD,0);
	methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL,"java/lang/Object","<init>","()V",false);
	methodVisitor.visitInsn(RETURN);

	Label label1 = new Label();
	methodVisitor.visitLabel(label1);
	methodVisitor.visitLocalVariable("this","LJavaJVM/ClassLoaderTest/ASMTest",null,label,label1,0);
	methodVisitor.visitMaxs(1,1);
	methodVisitor.visitEnd();
	// 调用 visitEnd 结束写入
	writer.visitEnd();

	try(FileOutputStream stream = new FileOutputStream("./ASMtest.class")){
	stream.write(writer.toByteArray());
	}catch (IOException e){
	e.printStackTrace();
	}
	}
	}

这个文件中没有什么变化，这里反编译看一下

	PS E:\study_java> javap -v .\ASMtest.class
	Classfile /E:/study_java/ASMtest.class
	Last modified 2023年9月12日; size 262 bytes
	MD5 checksum 42157c808b1713d2ddb1492d529083b0
	public class JavaJVM.ClassLoaderTest.ASMTest.java
	minor version: 0
	major version: 52
	flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
	this_class: #2 // "JavaJVM/ClassLoaderTest/ASMTest.java"
	super_class: #4 // java/lang/Object
	interfaces: 0, fields: 0, methods: 1, attributes: 0
	Constant pool:
	#1 = Utf8 JavaJVM/ClassLoaderTest/ASMTest.java
	#2 = Class #1 // "JavaJVM/ClassLoaderTest/ASMTest.java"
	#3 = Utf8 java/lang/Object
	#4 = Class #3 // java/lang/Object
	#5 = Utf8 <init>
	#6 = Utf8 ()V
	#7 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V
	#8 = Methodref #4.#7 // java/lang/Object."<init>":()V
	#9 = Utf8 this
	#10 = Utf8 LJavaJVM/ClassLoaderTest/ASMTest
	#11 = Utf8 Code
	#12 = Utf8 LocalVariableTable
	#13 = Utf8 LineNumberTable
	{
	public JavaJVM.ClassLoaderTest.ASMTest.java();
	descriptor: ()V
	flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
	Code:
	stack=1, locals=1, args_size=1
	0: aload_0
	1: invokespecial #8 // Method java/lang/Object."<init>":()V
	4: return
	LocalVariableTable:
	Start Length Slot Name Signature
	0 5 0 this LJavaJVM/ClassLoaderTest/ASMTest
	LineNumberTable:
	line 11: 0
	}

可以看到这里已经按照我们预期的写进去了

JavaJVM

# 前言

# 类文件结构

# class 文件

# 字节码指令

# 字节码编程

虐心短片之GC

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