2、字节码文件详解

2.1 Java虚拟机的组成
Java虚拟机主要分为以下几个组成部分：
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类加载子系统：核心组件类加载器，负责将字节码文件中的内容加载到内存中。
运行时数据区：JVM管理的内存，创建出来的对象、类的信息等等内容都会放在这块区域中。
执行引擎：包含了即时编译器、解释器、垃圾回收器，执行引擎使用解释器将字节码指令解释成机器码，使用即时编译器优化性能，使用垃圾回收器回收不再使用的对象。
本地接口：调用本地使用C/C++编译好的方法，本地方法在Java中声明时，都会带上native关键字，如下图所示。
2.2 字节码文件的组成
2.2.1 以正确的姿势打开文件
字节码文件中保存了源代码编译之后的内容，以二进制的方式存储，无法直接用记事本打开阅读。
通过NotePad++使用十六进制插件查看class文件：

无法解读出文件里包含的内容，推荐使用 jclasslib工具查看字节码文件。
Github地址： https://github.com/ingokegel/jclasslib
安装方式：找到资料\工具\jclasslib_win64_6_0_4.exe 安装即可

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2.2.2 字节码文件的组成
字节码文件总共可以分为以下几个部分：

基础信息：魔数、字节码文件对应的Java版本号、访问标识(public final等等)、父类和接口信息
常量池：保存了字符串常量、类或接口名、字段名，主要在字节码指令中使用
字段：当前类或接口声明的字段信息
方法：当前类或接口声明的方法信息，核心内容为方法的字节码指令
属性：类的属性，比如源码的文件名、内部类的列表等

2.2.2.1 基本信息
基本信息包含了jclasslib中能看到的两块内容：
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Magic魔数
每个Java字节码文件的前四个字节是固定的，用16进制表示就是0xcafebabe。文件是无法通过文件扩展名来确定文件类型的，文件扩展名可以随意修改不影响文件的内容。软件会使用文件的头几个字节（文件头）去校验文件的类型，如果软件不支持该种类型就会出错。
比如常见的文件格式校验方式如下：
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Java字节码文件中，将文件头称为magic魔数。Java虚拟机会校验字节码文件的前四个字节是不是0xcafebabe，如果不是，该字节码文件就无法正常使用，Java虚拟机会抛出对应的错误。

主副版本号
主副版本号指的是编译字节码文件时使用的JDK版本号，主版本号用来标识大版本号，JDK1.0-1.1使用了45.0-45.3，JDK1.2是46之后每升级一个大版本就加1；副版本号是当主版本号相同时作为区分不同版本的标识，一般只需要关心主版本号。
1.2之后大版本号计算方法就是 : 主版本号 – 44，比如主版本号52就是JDK8。

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版本号的作用主要是判断当前字节码的版本和运行时的JDK是否兼容。如果使用较低版本的JDK去运行较高版本JDK的字节码文件，无法使用会显示如下错误：

有两种方案：
1.升级JDK版本，将图中使用的JDK6升级至JDK8即可正常运行，容易引发其他的兼容性问题，并且需要大量的测试。
2.将第三方依赖的版本号降低或者更换依赖，以满足JDK版本的要求。建议使用这种方案

其他基础信息
其他基础信息包括访问标识、类和接口索引，如下：
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2.2.2.2 常量池
字节码文件中常量池的作用：避免相同的内容重复定义，节省空间。如下图，常量池中定义了一个字符串，字符串的字面量值为123。

比如在代码中，编写了两个相同的字符串“我爱北京天安门”，字节码文件甚至将来在内存中使用时其实只需要保存一份，此时就可以将这个字符串以及字符串里边包含的字面量，放入常量池中以达到节省空间的作用。

String str1 = “我爱北京天安门”;
String str2 = “我爱北京天安门”;

常量池中的数据都有一个编号，编号从1开始。比如“我爱北京天安门”这个字符串，在常量池中的编号就是7。在字段或者字节码指令中通过编号7可以快速的找到这个字符串。
字节码指令中通过编号引用到常量池的过程称之为符号引用。

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2.2.2.3 字段
字段中存放的是当前类或接口声明的字段信息。
如下图中，定义了两个字段a1和a2，这两个字段就会出现在字段这部分内容中。同时还包含字段的名字、描述符（字段的类型）、访问标识（public/private static final等）。

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2.2.2.4 方法
字节码中的方法区域是存放字节码指令的核心位置，字节码指令的内容存放在方法的Code属性中。

通过分析方法的字节码指令，可以清楚地了解一个方法到底是如何执行的。先来看如下案例：

int i = 0;
int j = i + 1;

这段代码编译成字节码指令之后是如下内容：
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要理解这段字节码指令是如何执行的，我们需要先理解两块内存区域：操作数栈和局部变量表。
操作数栈是用来存放临时数据的内容，是一个栈式的结构，先进后出。
局部变量表是存放方法中的局部变量，包含方法的参数、方法中定义的局部变量，在编译期就已经可以确定方法有多少个局部变量。

1、iconst_0，将常量0放入操作数栈。此时栈上只有0。
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2、istore_1会从操作数栈中，将栈顶的元素弹出来，此时0会被弹出，放入局部变量表的1号位置。局部变量表中的1号位置，在编译时就已经确定是局部变量i使用的位置。完成了对局部变量i的赋值操作。

3、iload_1将局部变量表1号位置的数据放入操作数栈中，此时栈中会放入0。
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4、iconst_1会将常量1放入操作数栈中。

5、iadd会将操作数栈顶部的两个数据相加，现在操作数栈上有两个数0和1，相加之后结果为1放入操作数栈中，此时栈上只有一个数也就是相加的结果1。

6、istore_2从操作数栈中将1弹出，并放入局部变量表的2号位置，2号位置是j在使用。完成了对局部变量j的赋值操作。
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7、return语句执行，方法结束并返回。

同理，可以分析i++和++i的字节码指令执行的步骤。
i++的字节码指令如下，其中iinc 1 by 1指令指的是将局部变量表1号位置增加1，其实就实现了i++的操作。

而++i只是对两个字节码指令的顺序进行了更改：
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面试题：
问：int i = 0; i = i++; 最终i的值是多少？
答：答案是0，我通过分析字节码指令发现，i++先把0取出来放入临时的操作数栈中，
接下来对i进行加1，i变成了1，最后再将之前保存的临时值0放入i，最后i就变成了0。

2.2.2.5 属性
属性主要指的是类的属性，比如源码的文件名、内部类的列表等。
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2.2.3 玩转字节码常用工具
2.2.3.1 javap
javap是JDK自带的反编译工具，可以通过控制台查看字节码文件的内容。适合在服务器上查看字节码文件内容。
直接输入javap查看所有参数。输入javap -v 字节码文件名称查看具体的字节码信息。如果jar包需要先使用 jar –xvf 命令解压。
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2.2.3.2 jclasslib插件
jclasslib也有Idea插件版本，建议开发时使用Idea插件版本，可以在代码编译之后实时看到字节码文件内容。
安装方式：
1、打开idea的插件页面，搜索jclasslib安装

2、选中要查看的源代码文件，选择视图(View) - Show Bytecode With Jclasslib
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右侧会展示对应源代码编译后的字节码文件内容：

tips:
1、一定要选择文件再点击视图(view)菜单，否则菜单项不会出现。
2、文件修改后一定要重新编译之后，再点击刷新按钮。

2.2.3.3 Arthas
Arthas 是一款线上监控诊断产品，通过全局视角实时查看应用 load、内存、gc、线程的状态信息，并能在不修改应用代码的情况下，对业务问题进行诊断，大大提升线上问题排查效率。
官网：https://arthas.aliyun.com/doc/
Arthas的功能列表如下：

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安装方法：
1、将资料/工具/arthas-boot.jar 文件复制到任意工作目录。
2、使用java -jar arthas-boot.jar 启动程序。
3、输入需要Arthas监控的进程id。

4、输入命令即可使用。
dump

dump命令可以将字节码文件保存到本地，如下将java.lang.String 的字节码文件保存到了/tmp/output目录下：

$ dump -d /tmp/output java.lang.String

 HASHCODE  CLASSLOADER  LOCATION
 null                   /tmp/output/java/lang/String.class
Affect(row-cnt:1) cost in 138 ms.

jad

jad命令可以将类的字节码文件进行反编译成源代码，用于确认服务器上的字节码文件是否是最新的，如下将demo.MathGame的源代码进行了显示。

$ jad --source-only demo.MathGame

package demo;

import java.io.PrintStream;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class MathGame {
    private static Random random = new Random();
    public int illegalArgumentCount = 0;
...