什么是字节码？
Java之所以可以“一次编译，到处运行”，一是因为JVM针对各种操作系统、平台都进行了定制，二是因为无论在什么平台，都可以编译生成固定格式的字节码（.class文件）供JVM使用。
因此，也可以看出字节码对于Java生态的重要性，之所以被称之为字节码，是因为字节码文件由十六进制值组成，而JVM以两个十六进制值为一组，即以字节为单位进行读取。
在Java中一般是用javac命令编译源代码为字节码文件，一个.java文件从编译到运行的示例如图1所示。
对于开发人员，了解字节码可以更准确、直观地理解Java语言中更深层次的东西，比如通过字节码，可以很直观地看到Volatile关键字如何在字节码上生效。
另外，字节码增强技术在Spring AOP、各种ORM框架、热部署中的应用屡见不鲜，深入理解其原理对于我们来说大有裨益。
除此之外，由于JVM规范的存在，只要最终可以生成符合规范的字节码就可以在JVM上运行，因此这就给了各种运行在JVM上的语言（如Scala、Groovy、Kotlin）一种契机，可以扩展Java所没有的特性或者实现各种语法糖。
理解字节码后再学习这些语言，可以“逆流而上”，从字节码视角看它的设计思路，学习起来也“易如反掌”。
字节码结构
.java文件通过javac编译后将得到一个.class文件，比如编写一个简单的ByteCodeDemo类，如下图2的左侧部分：
编译后生成ByteCodeDemo.class文件，打开后是一堆十六进制数，按字节为单位进行分割后展示如图2右侧部分所示。
上文提及过，JVM对于字节码是有规范要求的，那么看似杂乱的十六进制符合什么结构呢？JVM规范要求每一个字节码文件都要由十部分按照固定的顺序组成，整体结构如图3所示。接下来我们将一一介绍这十个部分：
（1） 魔数（Magic Number）
所有的.class文件的前四个字节都是魔数，魔数的固定值为：0xCAFEBABE。魔数放在文件开头，JVM可以根据文件的开头来判断这个文件是否可能是一个.class文件，如果是，才会继续进行之后的操作。
有趣的是，魔数的固定值是Java之父James Gosling制定的，为CafeBabe（咖啡宝贝），而Java的图标为一杯咖啡。
（2） 版本号
版本号为魔数之后的4个字节，前两个字节表示次版本号（Minor Version），后两个字节表示主版本号（Major Version）。上图2中版本号为“00 00 00 34”，次版本号转化为十进制为0，主版本号转化为十进制为52，在Oracle官网中查询序号52对应的主版本号为1.8，所以编译该文件的Java版本号为1.8.0。
（3） 常量池（Constant Pool）
紧接着主版本号之后的字节为常量池入口。常量池中存储两类常量：字面量与符号引用。字面量为代码中声明为Final的常量值，符号引用如类和接口的全局限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符。常量池整体上分为两部分：常量池计数器以及常量池数据区，如下图4所示。
- 常量池计数器（constant_pool_count）：由于常量的数量不固定，所以需要先放置两个字节来表示常量池容量计数值。图2中示例代码的字节码前10个字节如下图5所示，将十六进制的24转化为十进制值为36，排除掉下标“0”，也就是说，这个类文件中共有35个常量。
- 常量池数据区：数据区是由（constant_pool_count-1）个cp_info结构组成，一个cp_info结构对应一个常量。在字节码中共有14种类型的cp_info（如下图6所示），每种类型的结构都是固定的。
具体以CONSTANT_utf8_info为例，它的结构如下图7左侧所示。首先一个字节“tag”，它的值取自上图6中对应项的Tag，由于它的类型是utf8_info，所以值为“01”。接下来两个字节标识该字符串的长度Length，然后Length个字节为这个字符串具体的值。从图2中的字节码摘取一个cp_info结构，如下图7右侧所示。将它翻译过来后，其含义为：该常量类型为utf8字符串，长度为一字节，数据为“a”。
图7 CONSTANT_utf8_info的结构（左）及示例（右）
其他类型的cp_info结构在本文不再赘述，整体结构大同小异，都是先通过Tag来标识类型，然后后续n个字节来描述长度和（或）数据。先知其所以然，以后可以通过javap -verbose ByteCodeDemo命令，查看JVM反编译后的完整常量池，如下图8所示。可以看到反编译结果将每一个cp_info结构的类型和值都很明确地呈现了出来。
（4） 访问标志
常量池结束之后的两个字节，描述该Class是类还是接口，以及是否被Public、Abstract、Final等修饰符修饰。JVM规范规定了如下图9的访问标志（Access_Flag）。需要注意的是，JVM并没有穷举所有的访问标志，而是使用按位或操作来进行描述的，比如某个类的修饰符为Public Final，则对应的访问修饰符的值为ACC_PUBLIC | ACC_FINAL，即0x0001 | 0x0010=0x0011。
（5） 当前类名
访问标志后的两个字节，描述的是当前类的全限定名。这两个字节保存的值为常量池中的索引值，根据索引值就能在常量池中找到这个类的全限定名。
（6） 父类名称
当前类名后的两个字节，描述父类的全限定名，同上，保存的也是常量池中的索引值。
（7） 接口信息
父类名称后为两字节的接口计数器，描述了该类或父类实现的接口数量。紧接着的n个字节是所有接口名称的字符串常量的索引值。
（8） 字段表
字段表用于描述类和接口中声明的变量，包含类级别的变量以及实例变量，但是不包含方法内部声明的局部变量。字段表也分为两部分，第一部分为两个字节，描述字段个数；第二部分是每个字段的详细信息fields_info。字段表结构如下图所示：
以图2中字节码的字段表为例，如下图11所示。其中字段的访问标志查图9，0002对应为Private。通过索引下标在图8中常量池分别得到字段名为“a”，描述符为“I”（代表int）。综上，就可以唯一确定出一个类中声明的变量private int a。
图11 字段表示例
（9）方法表
字段表结束后为方法表，方法表也是由两部分组成，第一部分为两个字节描述方法的个数；第二部分为每个方法的详细信息。方法的详细信息较为复杂，包括方法的访问标志、方法名、方法的描述符以及方法的属性，如下图所示：
图12 方法表结构
方法的权限修饰符依然可以通过图9的值查询得到，方法名和方法的描述符都是常量池中的索引值，可以通过索引值在常量池中找到。而“方法的属性”这一部分较为复杂，直接借助javap -verbose将其反编译为人可以读懂的信息进行解读，如图13所示。可以看到属性中包括以下三个部分：
- “Code区”：源代码对应的JVM指令操作码，在进行字节码增强时重点操作的就是“Code区”这一部分。
- “LineNumberTable”：行号表，将Code区的操作码和源代码中的行号对应，Debug时会起到作用（源代码走一行，需要走多少个JVM指令操作码）。
- “LocalVariableTable”：本地变量表，包含This和局部变量，之所以可以在每一个方法内部都可以调用This，是因为JVM将This作为每一个方法的第一个参数隐式进行传入。当然，这是针对非Static方法而言。
（10）附加属性表
字节码的最后一部分，该项存放了在该文件中类或接口所定义属性的基本信息。
作者简介
陈睿|mikechen，10年+大厂架构经验，BAT资深面试官，就职于阿里巴巴、淘宝、百度等一线互联网大厂。
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