深刻理解Java Class文件格式（三）

时间 2019-12-02

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常量池中各数据项类型详解java

关于常量池的大概内容，已经在深刻理解Java Class文件格式（一）中讲解过了，这篇文章中还介绍了常量池中的11种数据类型。本文的任务是详细讲解这11种数据类型，深度剖析源文件中的各类信息是以什么方式存放在常量池中的。工具

咱们知道，常量池中的数据项是经过索引来引用的，常量池中的各个数据项之间也会相互引用。在这11中常量池数据项类型中，有两种比较基础，之因此说它们基础，是由于这两种类型的数据项会被其余类型的数据项引用。这两种数据类型就是CONSTANT_Utf8 和 CONSTANT_NameAndType ，其中CONSTANT_NameAndType类型的数据项（CONSTANT_NameAndType_info）也会引用CONSTANT_Utf8类型的数据项（CONSTANT_Utf8_info）。与其余介绍常量池的书籍或其余资料不一样，本着按部就班和前后分明的原则，咱们首先对这两种比较基本的类型的数据项进行介绍，而后再依次介绍其余9中数据项。布局

（1） CONSTANT_Utf8_infothis

一个CONSTANT_Utf8_info是一个CONSTANT_Utf8类型的常量池数据项，它存储的是一个常量字符串。常量池中的全部字面量几乎都是经过CONSTANT_Utf8_info描述的。下面咱们首先讲解CONSTANT_Utf8_info数据项的存储格式。在前面的文章中，咱们提到，常量池中数据项的类型由一个整型的标志值（tag）决定，因此全部常量池类型的info中都必须有一个tag信息，而且这个tag值位于数据项的第一个字节上。一个11中常量池数据类型，因此就有11个tag值表示这11中类型。而CONSTANT_Utf8_info的tag值为1，也就是说若是虚拟机要解析一个常量池数据项，首先去读这个数据项的第一个字节的tag值，若是这个tag值为1，那么就说明这个数据项是一个CONSTANT_Utf8类型的数据项。紧挨着tag值的两个字节是存储的字符串的长度length，剩下的字节就存储着字符串。因此，它的格式是这样的：spa

其中tag占一个字节， length占2个字节， bytes表明存储的字符串，占length字节。因此，若是这个CONSTANT_Utf8_info存储的是字符串"Hello"，那么他的存储形式是这样的：3d

如今咱们知道了CONSTANT_Utf8_info数据项的存储形式，那么CONSTANT_Utf8_info数据项都存储了什么字符串呢？ CONSTANT_Utf8_info可包括的字符串主要如下这些：
程序中的字符串常量
常量池所在当前类（包括接口和枚举）的全限定名
常量池所在当前类的直接父类的全限定名
常量池所在当前类型所实现或继承的全部接口的全限定名
常量池所在当前类型中所定义的字段的名称和描述符
常量池所在当前类型中所定义的方法的名称和描述符
由当前类所引用的类型的全限定名
由当前类所引用的其余类中的字段的名称和描述符
由当前类所引用的其余类中的方法的名称和描述符
与当前class文件中的属性相关的字符串，如属性名等
总结一下，其中有这么五类：程序中的字符串常量，类型的全限定名，方法和字段的名称，方法和字段的描述符，属性相关字符串。程序中的字符串常量不用多说了，咱们常用它们建立字符串对象，属性相关的字符串，等到讲到class中的属性信息（attibute）时自会说起。方法和字段的名称也不用多说了。剩下的就是类型的全限定名，方法和字段的描述符，这就是上篇文章中说起的"特殊字符串"，不熟悉的同窗能够先读一下上篇文章深刻理解Java Class文件格式（二）。还有一点须要说明，类型的全限定名，方法和字段的名称，方法和字段的描述符，能够是本类型中定义的，也多是本类中引用的其余类的。
下面咱们经过一个例子来进行说明。示例源码：code

package com.jg.zhang;
 
public class Programer extends Person {
 
    static String company = "CompanyA";
    
    static{
        System.out.println("staitc init");
    }
    
    
    String position;
    Computer computer;
 
    public Programer() {
        this.position = "engineer";
        this.computer = new Computer();
    }
    
    public void working(){
        System.out.println("coding...");
        computer.working();
    }
}

别看这个类简单，可是反编译后，它的常量池有53项之多。在这53项常量池数据项中，各类类型的数据项都有，固然也包括很多的CONSTANT_Utf8_info 。下面只列出反编译后常量池中的CONSTANT_Utf8_info 数据项：
#2 = Utf8 com/jg/zhang/Programer //当前类的全限定名
#4 = Utf8 com/jg/zhang/Person //父类的全限定名
#5 = Utf8 company //company字段的名称
#6 = Utf8 Ljava/lang/String; //company和position字段的描述符
#7 = Utf8 position //position字段的名称
#8 = Utf8 computer //computer字段的名称
#9 = Utf8 Lcom/jg/zhang/Computer; //computer字段的描述符
#10 = Utf8 <clinit> //类初始化方法（即静态初始化块）的方法名
#11 = Utf8 ()V //working方法的描述符
#12 = Utf8 Code //Code属性的属性名
#14 = Utf8 CompanyA //程序中的常量字符串
#19 = Utf8 java/lang/System //所引用的System类的全限定名
#21 = Utf8 out //所引用的out字段的字段名
#22 = Utf8 Ljava/io/PrintStream; //所引用的out字段的描述符
#24 = Utf8 staitc init //程序中的常量字符串
#27 = Utf8 java/io/PrintStream //所引用的PrintStream类的全限定名
#29 = Utf8 println //所引用的println方法的方法名
#30 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V //所引用的println方法的描述符
#31 = Utf8 LineNumberTable //LineNumberTable属性的属性名
#32 = Utf8 LocalVariableTable //LocalVariableTable属性的属性名
#33 = Utf8 <init> //当前类的构造方法的方法名
#41 = Utf8 com/jg/zhang/Computer //所引用的Computer类的全限定名
#45 = Utf8 this //局部变量this的变量名
#46 = Utf8 Lcom/jg/zhang/Programer; //局部变量this的描述符
#47 = Utf8 working //woking方法的方法名
#49 = Utf8 coding... //程序中的字符串常量
#52 = Utf8 SourceFile //SourceFile属性的属性名
#53 = Utf8 Programer.java //当前类所在的源文件的文件名对象

上面只列出了反编译结果中常量池中的CONSTANT_Utf8_info数据项。其中第三列不是javap反编译的输出结果，而是我加上的注释。读者能够对比上面的程序源码来看一下，这样的话，就能够清楚的看出，源文件中的各类字符串，是如何和存放到CONSTANT_Utf8_info中的。blog

这里要强调一下，源文件中的几乎全部可见的字符串都存放在CONSTANT_Utf8_info中，其余类型的常量池项只不过是对CONSTANT_Utf8_info的引用。其余常量池项，把引用的CONSTANT_Utf8_info组合起来，进而能够描述更多的信息。下面将要介绍的CONSTANT_NameAndType_info就能够验证这个结论。继承

（2） CONSTANT_NameAndType类型的数据项

常量池中的一个CONSTANT_NameAndType_info数据项，能够看作CONSTANT_NameAndType类型的一个实例。从这个数据项的名称能够看出，它描述了两种信息，第一种信息是名称（Name），第二种信息是类型（Type）。这里的名称是指方法的名称或者字段的名称，而Type是广义上的类型，它其实描述的是字段的描述符或方法的描述符。也就是说，若是Name部分是一个字段名称，那么Type部分就是相应字段的描述符；若是Name部分描述的是一个方法的名称，那么Type部分就是对应的方法的描述符。也就是说，一个CONSTANT_NameAndType_info就表示了一个方法或一个字段。

下面先看一下CONSTANT_NameAndType_info数据项的存储格式。既然是常量池中的一种数据项类型，那么它的第一个字节也是tag，它的tag值是12，也就是说，当虚拟机读到一个tag为12的常量池数据项，就能够肯定这个数据项是一个CONSTANT_NameAndType_info 。 tag值一下的两个字节叫作name_index，它指向常量池中的一个CONSTANT_Utf8_info，这个CONSTANT_Utf8_info中存储的就是方法或字段的名称。 name_index之后的两个字节叫作descriptor_index，它指向常量池中的一个CONSTANT_Utf8_info，这个CONSTANT_Utf8_info中存储的就是方法或字段的描述符。下图表示它的存储布局：

下面举一个实例进行说明，实例的源码为：

package com.jg.zhang;
 
public class Person {
 
    int age;
 
    int getAge(){
        return age;
    }
}

这个Person类很简单，只有一个字段age，和一个方法getAge 。将这段代码使用javap工具反编译以后，常量池信息以下：

#1 = Class #2 // com/jg/zhang/Person
#2 = Utf8 com/jg/zhang/Person
#3 = Class #4 // java/lang/Object
#4 = Utf8 java/lang/Object
#5 = Utf8 age
#6 = Utf8 I
#7 = Utf8 <init>
#8 = Utf8 ()V
#9 = Utf8 Code
#10 = Methodref #3.#11 // java/lang/Object."<init>":()V
#11 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
#12 = Utf8 LineNumberTable
#13 = Utf8 LocalVariableTable
#14 = Utf8 this
#15 = Utf8 Lcom/jg/zhang/Person;
#16 = Utf8 getAge
#17 = Utf8 ()I
#18 = Fieldref #1.#19 // com/jg/zhang/Person.age:I
#19 = NameAndType #5:#6 // age:I
#20 = Utf8 SourceFile
#21 = Utf8 Person.java

常量池一共有21项，咱们能够看到，一共有两个CONSTANT_NameAndType_info 数据项，分别是第#11项和第#19项，其中第#11项的CONSTANT_NameAndType_info又引用了常量池中的第#7项和第#8项，被引用的这两项都是CONSTANT_Utf8_info ，它们中存储的字符串常量值分别是 <init> 和（）V。其实他们加起来表示的就是父类Object的构造方法。那么这里为何会是父类Object的构造方法而不是本类的构造方法呢？这是由于类中定义的方法若是不被引用（也就是说在当前类中不被调用），那么常量池中是不会有相应的 CONSTANT_NameAndType_info 与之对应的，只有引用了一个方法，才有相应的CONSTANT_NameAndType_info 与之对应。这也是为何说CONSTANT_NameAndType_info 是方法的符号引用的一部分的缘由。（这里提到一个新的概念，叫作方法的符号引用，这个概念会在后面的博客中进行讲解）能够看到，在源码存在两个方法，分别是编译器默认添加的构造方法和咱们本身定义的getAge方法，由于并无在源码中显示的调用这两个方法，因此在常量池中并不存在和这两个方法相对应的CONSTANT_NameAndType_info 。之因此会存在父类Object的构造方法对应的CONSTANT_NameAndType_info ，是由于子类构造方法中会默认调用父类的无参数构造方法。咱们将常量中的其余信息去掉，能够看得更直观：

下面讲解常量池第#19项的CONSTANT_NameAndType_info ，它引用了常量池第#5项和第#6项，这两项也是CONSTANT_Utf8_info 项，其中存储的字符串分别是age和I，其中age是源码中字段age的字段名， I是age字段的描述符。因此这个CONSTANT_NameAndType_info 就表示对本类中的字段age的引用。除去常量池中的其余信息，能够看得更直观：

和方法相同，只定义一个字段而不引用它（在源码中表现为不访问这个变量），那么在常量池中也不会存在和该字段相对应的CONSTANT_NameAndType_info 项。这也是为何说CONSTANT_NameAndType_info做为字段符号引用的一部分的缘由。（这里提到一个新的概念，叫作字段的符号引用，这个概念会在后面的博客中进行讲解）在本例中之因此会出现这个CONSTANT_NameAndType_info ，是由于在源码的getAge方法中访问了这个字段：

   int getAge(){
        return age;
    }

下面给出这两个CONSTANT_NameAndType_info真实的内存布局图：

和Object构造方法相关的CONSTANT_NameAndType_info的示意图：

和age字段相关的CONSTANT_NameAndType_info示意图：

这两张图可以很好的反映出CONSTANT_NameAndType_info和CONSTANT_Utf8_info 这两种常量池数据项的数据存储方式，也可以真实的反应CONSTANT_NameAndType_info和CONSTANT_Utf8_info 的引用关系。

总结

本篇博客就到此为止，在本文中咱们主要介绍了常量池中的两种数据项： CONSTANT_NameAndType_info 和 CONSTANT_Utf8_info 。其中CONSTANT_Utf8_info存储的是源文件中的各类字符串，而CONSTANT_NameAndType_info表述的是源文件中对一个字段或方法的符号引用的一部分（即方法名加方法描述符，或者是字段名加字段描述符）。在下一篇博客中，继续讲解常量池中的其余类型的数据项。