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什麼是JVM的“無關性”?
Java具有平台無關性,也就是任何作業系統都能運作Java代碼。之是以能實作這一點,是因為Java運作在虛拟機之上,不同的作業系統都擁有各自的Java虛拟機,是以Java能實作“一次編寫,處處運作”。
而JVM不僅具有平台無關性,還具有語言無關性。
平台無關性是指不同作業系統都有各自的JVM,而語言無關性是指Java虛拟機能運作除Java以外的代碼!
這聽起來非常驚人,但JVM對能運作的語言是有嚴格要求的。首先來了解下Java代碼的運作過程。
Java源代碼首先需要使用Javac編譯器編譯成class檔案,然後啟動JVM執行class檔案,進而程式開始運作。
也就是JVM隻認識class檔案,它并不管何種語言生成了class檔案,隻要class檔案符合JVM的規範就能運作。
是以目前已經有Scala、JRuby、Jython等語言能夠在JVM上運作。它們有各自的文法規則,不過它們的編譯器都能将各自的源碼編譯成符合JVM規範的class檔案,進而能夠借助JVM運作它們。
縱觀Class檔案結構
class檔案是二進制檔案,它的内容具有嚴格的規範,檔案中沒有任何空格,全是連續的0/1。class檔案中的所有内容被分為兩種類型:無符号數 和 表。
- 無符号數
它表示class檔案中的值,這些值沒有任何類型,但有不同的長度。根據這些值長度的不同分為:u1、u2、u4、u8,分别代表1位元組的無符号數、2位元組的無符号數、4位元組的無符号數、8位元組的無符号數。
- 表
class檔案中所有資料(即無符号數)要麼單獨存在,要麼由多個無符号數組成二維表。即class檔案中的資料要麼是單個值,要麼是二維表。
class檔案的組織結構
- 魔數
- 本檔案的版本資訊
- 常量池
- 通路标志
- 類索引
- 父類索引
- 接口索引集合
- 字段表集合
- 方法表集合
Class檔案的構成1:魔數
class檔案的頭4個位元組稱為魔數,用來表示這個class檔案的類型。
魔數的作用就相當于檔案字尾名,隻不過字尾名容易被修改,不安全,是以在class檔案中标示檔案類型比較合适。
class檔案的魔數是用16進制表示的“CAFEBABE”,非常具有浪漫主義色彩,誰說程式員的情商都很低!
Class檔案的構成2:版本資訊
緊接着魔數的4個位元組是版本号。它表示本class中使用的是哪個版本的JDK。
在高版本的JVM上能夠運作低版本的class檔案,但在低版本的JVM上無法運作高版本的class檔案,即使該class檔案中沒有用到任何高版本JDK的特性也無法運作!
Class檔案的構成3:常量池
1. 什麼是常量池?
緊接着版本号之後的就是常量池。常量池中存放兩種類型的常量:
-
字面值常量
字面值常量即我們在程式中定義的字元串、被final修飾的值。
-
符号引用
符号引用就是我們定義的各種名字:
- 類和接口的全限定名
- 字段的名字 和 描述符
- 方法的名字 和 描述符
2. 常量池的特點
-
常量池長度不固定
常量池的大小是不固定的,是以常量池開頭放置一個u2類型的無符号數,用來存儲目前常量池的容量。JVM根據這個值就知道常量池的頭尾來。
注:這個值是從1開始的,若為5表示池中有4個常量。
-
常量池中的常量由而為表來表示
常量池開頭有個常量池容量計數器,接下來就全是一個個常量了,隻不過常量都是由一張張二維表構成,除了記錄常量的值以外,還記錄目前常量的相關資訊。
- 常量池是class檔案的資源倉庫
- 常量池是與本class中其它部分關聯最多的部分
- 常量池是class檔案中空間占用最大的部分之一
3. 常量池中常量的類型
剛才介紹了,常量池中的常量大體上分為:字面值常量 和 符号引用。在此基礎上,根據常量的資料類型不同,又可以被細分為14種常量類型。這14種常量類型都有各自的二維表示結構。每種常量類型的頭1個位元組都是tag,用于表示目前常量屬于14種類型中的哪一個。
以CONSTANT_Class_info常量為例,它的二維表示結構如下:
CONSTANT_Class_info表:
類型 | 名稱 | 數量 |
---|---|---|
u1 | tag | 1 |
u2 | name_index |
tag表示目前常量的類型(目前常量為CONSTANT_Class_info,是以tag的值應為7,表示一個類或接口的全限定名);
name_index表示這個類或接口全限定名的位置。它的值表示指向常量池的第幾個常量。它會指向一個CONSTANT_Utf8_info類型的常量,它的二維表結構如下:
CONSTANT_Utf8_info表:
length | ||
bytes |
CONSTANT_Utf8_info表示字元串常量;
tag表示目前常量的類型,這裡應該是1;
length表示這個字元串的長度;
bytes為這個字元串的内容(采用縮略的UTF8編碼)
問:為什麼Java中定義的類、變量名字必須小于64K?
類、接口、變量等名字都屬于符号引用,它們都存儲在常量池中。而不管哪種符号引用,它們的名字都由CONSTANT_Utf8_info類型的常量表示,這種類型的常量使用u2存儲字元串的長度。由于2位元組最多能表示65535個數,是以這些名字的最大長度最多隻能是64K。
問:什麼是UTF-8編碼?什麼是縮略UTF-8編碼?
前者每個字元使用3個位元組表示,而後者把128個ASKII碼用1位元組表示,某些字元用2位元組表示,某些字元用3位元組表示。
Class檔案的構成4:通路标志
在常量池之後是2位元組的通路标志。通路标志是用來表示這個class檔案是類還是接口、是否被public修飾、是否被abstract修飾、是否被final修飾等。
由于這些标志都由是/否表示,是以可以用0/1表示。
通路标志為2位元組,可以表示16位标志,但JVM目前隻定義了8種,未定義的直接寫0.
Class檔案的構成5:類索引、父類索引、接口索引集合
類索引、父類索引、接口索引集合是用來表示目前class檔案所表示類的名字、父類名字、接口們的名字。
它們按照順序依次排列,類索引和父類索引各自使用一個u2類型的無符号常量,這個常量指向CONSTANT_Class_info類型的常量,該常量的bytes字段記錄了本類、父類的全限定名。
由于一個類的接口可能有好多個,是以需要用一個集合來表示接口索引,它在類索引和父類索引之後。這個集合頭兩個位元組表示接口索引集合的長度,接下來就是接口的名字索引。
Class檔案的構成6:字段表的集合
1. 什麼是字段表集合?
接下來是字段表的集合。字段表集合用于存儲本類所涉及到的成員變量,包括執行個體變量和類變量,但不包括方法中的局部變量。
每一個字段表隻表示一個成員變量,本類中所有的成員變量構成了字段表集合。
2. 字段表結構的定義
access_flags | ||
descriptor_index | ||
attributes_count | ||
attribute_info | attributes |
-
access_flags
字段的通路标志。在Java中,每個成員變量都有一系列的修飾符,和上述class檔案的通路标志的作用一樣,隻不過成員變量的通路标志與類的通路标志稍有差別。
-
name_index
本字段名字的索引。指向一個CONSTANT_Class_info類型的常量,這裡面存儲了本字段的名字等資訊。
-
descriptor_index
描述符。用于描述本字段在Java中的資料類型等資訊(下面詳細介紹)
-
attributes_count
屬性表集合的長度。
-
attributes
屬性表集合。到descriptor_index為止是字段表的固定資訊,光有上述資訊可能無法完整地描述一個字段,是以用屬性表集合來存放額外的資訊,比如一個字段的值。(下面會詳細介紹)
3. 什麼是描述符?
成員變量(包括靜态成員變量和執行個體變量) 和 方法都有各自的描述符。
對于字段而言,描述符用于描述字段的資料類型;
對于方法而言,描述符用于描述字段的資料類型、參數清單、傳回值。
在描述符中,基本資料類型用大寫字母表示,對象類型用“L對象類型的全限定名”表示,數組用“[數組類型的全限定名”表示。
描述方法時,将參數根據上述規則放在()中,()右側按照上述方法放置傳回值。而且,參數之間無需任何符号。
4. 字段表集合的注意點
- 一個class檔案的字段表集合中不能出現從父類/接口繼承而來字段;
-
一個class檔案的字段表集合中可能會出現程式猿沒有定義的字段
如編譯器會自動地在内部類的class檔案的字段表集合中添加外部類對象的成員變量,供内部類通路外部類。
- Java中隻要兩個字段名字相同就無法通過編譯。但在JVM規範中,允許兩個字段的名字相同但描述符不同的情況,并且認為它們是兩個不同的字段。
Class檔案的構成7:方法表的集合
在class檔案中,所有的方法以二維表的形式存儲,每張表來表示一個函數,一個類中的所有方法構成方法表的集合。
方法表的結構和字段表的結構一緻,隻不過通路标志和屬性表集合的可選項有所不同。
方法表的屬性表集合中有一張Code屬性表,用于存儲目前方法經編譯器編譯過後的位元組碼指令。
方法表集合的注意點
- 如果本class沒有重寫父類的方法,那麼本class檔案的方法表集合中是不會出現父類/父接口的方法表;
-
本class的方法表集合可能出現程式猿沒有定義的方法
編譯器在編譯時會在class檔案的方法表集合中加入類構造器和執行個體構造器。
- 重載一個方法需要有相同的簡單名稱和不同的特征簽名。JVM的特征簽名和Java的特征簽名有所不同:
- Java特征簽名:方法參數在常量池中的字段符号引用的集合
- JVM特征簽名:方法參數+傳回值