玩转Java字节码（上）

　　Java字节码（Byte-code）是指Java源代码编译而成的，供JVM虚拟机执行的代码。用文本编辑器打开将是一团乱码，用十六进制编辑器打开能勉强看懂头部一些规范，例如魔数，主次版本。而用/bin/javap“反编译”之后可以得到一个人类可读的代码段，类似于用Wireshark来分析cap数据包。

　　要看懂这个文件必须要知道字节码规范，主要有以下两个表格内容构成。其中表1是Class文件的组成部分，各段依次排列，排列紧密，无多余的分隔符。其中u1~u8表示占用字节数，1表示1个字节，2表示2个字节，4字节，8字节。例如魔数：仅有1个，占用4个字节，位于文件的前4个字节。紧接着4个字节是minor_version，major_version各占用2个字节。接下来2个字节是常量池数量统计，意味着一个Class不能有超过65535个常量池（maybe）。接下来是常量池，常量池的格式由表2来定义，下一段再来分析。依次类推可以将整个Class文件分析出来。

　　常量池中的每一个常量项通常有2~3个项目组成。例如：CONSTANT_Utf8_info这一项，第1个字节是表示定义（tag），值为1，紧接着2个字节表示该项将占用的长度（length），意味着接下来的几个字节长度将是字符串的实际内容。

　　再来分析下CONSTANT_Integer_info项，从下表可以看出头一个字节tag值为3，接下来4个字节安高位在前编码表示int值，所以在Java中int数据类型的最大值是去掉一个符号位的0x7FFFFFFF。Utf8，Integer，Float，Long，Double这5个都是类似的，直接以值的形式存储。其余常量项都是存储着引用值（index），分别指向这5个值或其它地方，这里不一一介绍了。

　　等等java不是八大基本数据类型吗，这里怎么只有提到了4个，没错，小于int的都当作int处理了。也就是boolean，byte，char，short都“拉长”至int级别来对待。例如：boolean a = “true” 对应的字节码指令是：iconst_1，putfield a，将int型常量值1进栈赋值给变量a。

　　介于编译器可能会做一些性能优化，例如int值超过2字节（32768）才会加入到常量项，小于2字节由sipush指令在运行时分配。

　　分析这玩意实在有些无聊，既然本文是以玩转为主题，自然就说点有趣的。首先一个简单的Java代码如下：

package classloader;

/**
 * Created by dorole.com on 2016/6/13.
 */
public class Hello {
    public String sayHello(String name) {
        System.out.println(this.getClass().getName() + " -> " + name);
        return name;
    }
}

　　这段代码自然再简单不过了，随便一个文本编辑器敲进去，javac编译，找个main方法调用完事。那能不能不编译直接调用？当然没问题，先不谈这个，先来看看编译后究竟是个什么样子。我们用WinHex来打开编译好的Class文件，截图如下：

　　黑色标记的是全部的常量项tag值（一个个标出来，该是有多蛋疼~），自己可以对照表2慢慢分析。当然也可以借助javap来“反编译”下，输出更为直观的表格：

Constant pool:
   #1 = Utf8               classloader.Hello
   #2 = Class              #1             // "classloader.Hello"
   #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               sayHello
  #10 = Utf8               (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
  #11 = Utf8               java/lang/System
  #12 = Class              #11            // java/lang/System
  #13 = Utf8               out
  #14 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #15 = NameAndType        #13:#14        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #16 = Fieldref           #12.#15        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Utf8               java/lang/StringBuilder
  #18 = Class              #17            // java/lang/StringBuilder
  #19 = Methodref          #18.#7         // java/lang/StringBuilder."<init>":()V
  #20 = Utf8               getClass
  #21 = Utf8               ()Ljava/lang/Class;
  #22 = NameAndType        #20:#21        // getClass:()Ljava/lang/Class;
  #23 = Methodref          #4.#22         // java/lang/Object.getClass:()Ljava/lang/Class;
  #24 = Utf8               java/lang/Class
  #25 = Class              #24            // java/lang/Class
  #26 = Utf8               getName
  #27 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #28 = NameAndType        #26:#27        // getName:()Ljava/lang/String;
  #29 = Methodref          #25.#28        // java/lang/Class.getName:()Ljava/lang/String;
  #30 = Utf8               append
  #31 = Utf8               (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #32 = NameAndType        #30:#31        // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #33 = Methodref          #18.#32        // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #34 = Utf8                ->
  #35 = String             #34            //  ->
  #36 = Utf8               toString
  #37 = NameAndType        #36:#27        // toString:()Ljava/lang/String;
  #38 = Methodref          #18.#37        // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
  #39 = Utf8               java/io/PrintStream
  #40 = Class              #39            // java/io/PrintStream
  #41 = Utf8               println
  #42 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #43 = NameAndType        #41:#42        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #44 = Methodref          #40.#43        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #45 = Utf8               Code

　　这里我仅放上常量池部分，这下很好对了把。Class文件就是这样一个紧凑结构，不愧是为嵌入式而打造的一门语言。回到之前的问题，有没有可能自己来生成字节码？答案是肯定的，下回分解。