BYTECODE

FGJ: Create:2024/03/03 Update: (2025-03-04)

Intro(ByteCode) #

参考
JDK8 JVM虚拟机实现规范 Chapter 4. The class File Format，包括常量池数据结构
JDK8 JVM虚拟机实现规范 Chapter 6. The Java Virtual Machine Instruction Set

工具：
进制转换echo 'ibase=16;12'| bc
十六进制转utf-8echo -n "6E756D" | xxd -r -p | iconv -f utf-8

下面为java源代码和class字节码。编译使用-g参数，会包含 LocalVariableTable 。

用vim打开class文件vim -b Hello.class。[不加-b会在末尾追加0x0A多一个字节]
并且使用xxd工具查看:%!xxd -u;

右边为使用javap -v Hello.class工具输出的字节码信息。

public class Hello { 
    private int num;
    public int foo() {
        return num;
    } 
}

00000000: CAFE BABE 0000 0034 0013 0A00 0400 0F09  .......4........
00000010: 0003 0010 0700 1107 0012 0100 036E 756D  .............num
00000020: 0100 0149 0100 063C 696E 6974 3E01 0003  ...I...<init>...
00000030: 2829 5601 0004 436F 6465 0100 0F4C 696E  ()V...Code...Lin
00000040: 654E 756D 6265 7254 6162 6C65 0100 0366  eNumberTable...f
00000050: 6F6F 0100 0328 2949 0100 0A53 6F75 7263  oo...()I...Sourc
00000060: 6546 696C 6501 000A 4865 6C6C 6F2E 6A61  eFile...Hello.ja
00000070: 7661 0C00 0700 080C 0005 0006 0100 0548  va.............H
00000080: 656C 6C6F 0100 106A 6176 612F 6C61 6E67  ello...java/lang
00000090: 2F4F 626A 6563 7400 2100 0300 0400 0000  /Object.!.......
000000a0: 0100 0200 0500 0600 0000 0200 0100 0700  ................
000000b0: 0800 0100 0900 0000 1D00 0100 0100 0000  ................
000000c0: 052A B700 01B1 0000 0001 000A 0000 0006  .*..............
000000d0: 0001 0000 0001 0001 000B 000C 0001 0009  ................
000000e0: 0000 001D 0001 0001 0000 0005 2AB4 0002  ............*...
000000f0: AC00 0000 0100 0A00 0000 0600 0100 0000  ................
00000100: 0400 0100 0D00 0000 0200 0E              ...........

Classfile /path/to/bytecode/Hello.class
Last modified 2024-3-6; size 267 bytes
MD5 checksum 4792914d35d8b3a70c01ee4fd462f512
Compiled from "Hello.java"
public class Hello
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref          #4.#15         // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref           #3.#16         // Hello.num:I
#3 = Class              #17            // Hello
#4 = Class              #18            // java/lang/Object
#5 = Utf8               num
#6 = Utf8               I
#7 = Utf8               <init>
#8 = Utf8               ()V
#9 = Utf8               Code
#10 = Utf8               LineNumberTable
#11 = Utf8               foo
#12 = Utf8               ()I
#13 = Utf8               SourceFile
#14 = Utf8               Hello.java
#15 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
#16 = NameAndType        #5:#6          // num:I
#17 = Utf8               Hello
#18 = Utf8               java/lang/Object
{
public Hello();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
    stack=1, locals=1, args_size=1
        0: aload_0
        1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
        4: return
    LineNumberTable:
        line 1: 0

public int foo();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
    stack=1, locals=1, args_size=1
        0: aload_0
        1: getfield      #2                  // Field num:I
        4: ireturn
    LineNumberTable:
        line 4: 0
}
SourceFile: "Hello.java"

文件定义 #
Java字节码类文件（.class）是Java编译器编译Java源文件（.java）产生的“目标文件”。它是一种8位字节的二进制流文件，各个数据项按顺序紧密的从前向后排列，相邻的项之间没有间隙，这样可以使得class文件非常紧凑，体积轻巧，可以被JVM快速的加载至内存，并且占据较少的内存空间（方便于网络的传输）。

Java源文件在被Java编译器编译之后，每个类（或者接口）都单独占据一个class文件，并且类中的所有信息都会在class文件中有相应的描述，由于class文件很灵活，它甚至比Java源文件有着更强的描述能力。

class文件中的信息是一项一项排列的，每项数据都有它的固定长度，有的占一个字节，有的占两个字节，还有的占四个字节或8个字节。数据项的不同长度分别用
u1, u2, u4, u8表示，分别表示一种数据项在class文件中占据1个字节， 2个字节， 4个字节，8个字节。可以把u1, u2, u3, u4看做class文件数据项的“类型” 。

文件结构 #

一个典型的class文件分为：
MagicNumber，Version，Constant_pool，Access_flag，This_class，Super_class，Interfaces，Fields，Methods 和Attributes这十个部分，用一个数据结构可以表示如下：

type	descriptor	remark
u4	magic	在class文件开头的四个字节，存放着class文件的魔数。他是一个固定的值：`0XCAFEBABE` 。也就是说他是判断一个文件是不是class格式的文件的标准。
u2	minor_version	次版本号 `0000`
u2	major_version	主版本号 `0034` 对应的十进制为`52`
u2	constant_pool_count
cp_info	constant_pool[constant_pool_count -1 ]
u2	access_flags	保存了当前类的访问权限
u2	this_class	保存了当前类的全局限定名在常量池里的索引
u2	super_class	保存了当前类的父类的全局限定名在常量池里的索引
u2	interfaces_count	指的是当前类实现的接口数目
u2	interfaces[interfaces_count]	包含interfaces_count个接口的全局限定名的索引的数组
u2	fields_count	类变量和实例变量的字段的数量总和
field_info	fields[fields_count]	包含字段详细信息的列表
u2	methods_count	该类或者接口显示定义的方法的数量
method_info	methods[methods_count]	包含方法信息的一个详细列表
u2	attributes_count	列表中包含的attribute_info的数量
attribute_info	attributes[attributes_count]	属性可以出现在class文件的很多地方，而不只是出现在attributes列表里。如果是attributes表里的属性，那么它就是对整个class文件所对应的类或者接口的描述；如果出现在fileds的某一项里，那么它就是对该字段额外信息的描述；如果出现在methods的某一项里，那么它就是对该方法额外信息的描述。

constant_pool :

在class文件中，位于版本号后面的就是常量池相关的数据项。常量池是class文件中的一项非常重要的数据。常量池中存放了文字字符串，常量值，当前类的类名，字段名，方法名，各个字段和方法的描述符，对当前类的字段和方法的引用信息，当前类中对其他类的引用信息等等。常量池中几乎包含类中的所有信息的描述， class文件中的很多其他部分都是对常量池中的数据项的引用，比如后面要讲到的this_class, super_class, field_info, attribute_info等，另外字节码指令中也存在对常量池的引用，这个对常量池的引用当做字节码指令的一个操作数。此外，常量池中各个项也会相互引用。

常量池是一个类的结构索引，其它地方对“对象”的引用可以通过索引位置来代替，我们知道在程序中一个变量可以不断地被调用，要快速获取这个变量常用的方法就是通过索引变量。这种索引我们可以直观理解为“内存地址的虚拟”。我们把它叫静态池的意思就是说这里维护着经过编译“梳理”之后的相对固定的数据索引，它是站在整个JVM（进程）层面的共享池。

class文件中的项constant_pool_count的值为1, 说明每个类都只有一个常量池。常量池中的数据也是一项一项的，没有间隙的依次排放。常量池中各个数据项通过索引来访问，有点类似与数组，只不过常量池中的第一项的索引为1, 而不为0, 如果class文件中的其他地方引用了索引为0的常量池项，就说明它不引用任何常量池项。class文件中的每一种数据项都有自己的类型，相同的道理，常量池中的每一种数据项也有自己的类型。常量池中的数据项的类型如下表：

常量池中数据项类型	类型标志	类型描述
CONSTANT_Utf8	1	UTF-8 编码的Unicode字符串
CONSTANT_Integer	3	int 类型的字面值
CONSTANT_Float	4	float 类型的字面值
CONSTANT_Long	5	long 类型的字面值
CONSTANT_Double	6	double 类型的字面值
CONSTANT_Class	7	对一个类或接口的符号引用
CONSTANT_String	8	String类型字面值
CONSTANT_Fieldref	9	对一个字段的符号引用
CONSTANT_Methodref	10	对一个类中声明方法的符号引用
CONSTANT_InterfaceMethodref	11	对接口中声明方法的符号引用
CONSTANT_NameAndType	12	对一个字段或方法的部分符号引用

每个数据项叫做一个XXX_info项，比如，一个常量池中一个CONSTANT_Utf8类型的项，就是一个CONSTANT_Utf8_info 。除此之外，每个info项中都有一个标志值（tag），这个标志值表明了这个常量池中的info项的类型是什么，从左边的表格中可以看出，一个CONSTANT_Utf8_info中的tag值为1，而一个CONSTANT_Fieldref_info中的tag值为9 。

Java程序是动态链接的，在动态链接的实现中，常量池扮演者举足轻重的角色。除了存放一些字面量之外，常量池中还存放着以下几种符号引用： （1）类和接口的全限定名 （2）字段的名称和描述符 （3）方法的名称和描述符

我们有必要先了解一下class文件中的特殊字符串，因为在常量池中，特殊字符串大量的出现，这些特殊字符串就是上面说的全限定名和描述符。对于常量池中的特殊字符串的了解，可以参考此文档： Java class文件格式之特殊字符串_动力节点Java学院整理

实际分析 #

magic(u4) #
CAFE BABE, class magic。
version(u4) #
0000 0034, 次版本号 0，主版本号 52，表示jdk8编译 52.0.
constant_pool(*) #
1). constant_pool_count
紧接着version下来的两个自己是0013代表常量池里面包含的常量的数目，因为字节码的常量池是从 1 开始计数的。这个常量池中包含18(0x0013 - 1)个常量.

第  1个常量：type0A对应到CONSTANT_Methodref_info数据项。数据项内容为0A00 0400 0F，class_index=4，name_and_type=15。
第  2个常量：type09对应到CONSTANT_Fieldref_info数据项。数据项内容为09 0003 0010，class_index=3，name_and_type=16。
第  3个常量：type07对应到CONSTANT_Class_info数据项。数据项的内容为0700 11，name_index=17。
第  4个常量：type07对应到CONSTANT_Class_info数据项。数据项的内容为0700 12，name_index=18。
第  5个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为0100 036E 756D，length=3，bytes=‘num’。
第  6个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为0100 0149，length=3，bytes=‘I’。
第  7个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为0100 063C 696E 6974 3E，length=6，bytes=’<init>’。
第  8个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为01 0003 2829 56，length=3，bytes=’()V’。
第  9个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为01 0004 436F 6465，length=4，bytes=‘Code’。
第10个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为0100 0F4C 696E 654E 756D 6265 7254 6162 6C65，length=15，bytes=‘LineNumberTable’。
第11个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为0100 0366 6F6F，length=3，bytes=‘foo’。
第12个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为0100 0328 2949，length=3，bytes=’()I’。
第13个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为0100 0A53 6F75 7263 6546 696C 65，length=10，bytes=‘SourceFile’。
第14个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为01 000A 4865 6C6C 6F2E 6A61 7661，length=10，bytes=‘Hello.java’。
第15个常量：type0C对应到CONSTANT_NameAndType_info数据项。数据项的内容为0C00 0700 08，name_index=7，descriptor_index=8。
第16个常量：type0C对应到CONSTANT_NameAndType_info数据项。数据项的内容为0C 0005 0006，name_index=5，descriptor_index=6。
第17个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为0100 0548 656C 6C6F，length=5，bytes=‘Hello’。
第18个常量：type01对应到CONSTANT_Utf8_info数据项。数据项的内容为0100 106A 6176 612F 6C61 6E67 2F4F 626A 6563 74，length=16，bytes=‘java/lang/Object’。
```
struct CONSTANT_Methodref_info {
    u1 tag;                     // 数据项类型
    u2 class_index;             // 该方法所属的类在常量池里的索引
    u2 name_and_type_index;     // 表示该方法的名称和类型的索引。常量池里的变量的索引从1开始。
}
struct CONSTANT_Fieldref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}
struct CONSTANT_Class_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;              // 即是指向常量池中第name_index个常量所表示的Class名称
}
struct CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag;
    u2 length;                  // 表示该字符串的字节数。
    u1 bytes[length];           // 该字符串的二进制表示。
}
struct CONSTANT_NameAndType_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;              // 表示的是该变量或者方法的名称
    u2 descriptor_index;        // 指向该方法的描述符的引用
}

// 等等... 
// https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.4
```

access_flags(u2) #

00 21 = bin(0x0001 or 0x0020) = 0x0021,表示ACC_PUBLIC | ACC_SUPER

Flag Name	Value	Interpretation
ACC_PUBLIC	0x0001	Declared public; may be accessed from outside its package.
ACC_FINAL	0x0010	Declared final; no subclasses allowed.
ACC_SUPER	0x0020	Treat superclass methods specially when invoked by the invokespecial instruction.
ACC_INTERFACE	0x0200	Is an interface, not a class.
ACC_ABSTRACT	0x0400	Declared abstract; must not be instantiated.
ACC_SYNTHETIC	0x1000	Declared synthetic; not present in the source code.
ACC_ANNOTATION	0x2000	Declared as an annotation type.
ACC_ENUM	0x4000	Declared as an enum type.

this_class(u2) #
00 03 this_class指向constant pool的索引值，该值必须是CONSTANT_Class_info类型，这里是3，即指向常量池中的第三项，即是Hello。
super_class(u2) #
00 04 super_class存的是父类的名称在常量池里的索引，这里指向第4个常量，即是java/lang/Object。
interfaces_count(u2) #
00 00 因为这里没有实现接口，所以就不存在interfces选项，所以这里的interfaces_count为0（0000），所以后面的内容也对应为空。
interfaces[interfaces_count] (u2) #
因为上面为0，所以此处没有值。
fields_count(u2) #
00 01 表示成员变量的个数，此处为1个。

fields[fields_count] (*) #

00 02 access_flags = ACC_PRIVATE。
00 05 指向常量池中的第五个常量，为’num’。
00 06 指向常量池中的第六个常量，为’I’。上述三个合起来就是private int num;
00 00 attributes数量，因为这个变量没有附加属性，所以attributes_count=0。

Flag Name	Value	Interpretation
ACC_PUBLIC	0x0001	Declared public; may be accessed from outside its package.
ACC_PRIVATE	0x0002	Declared private; usable only within the defining class.
ACC_PROTECTED	0x0004	Declared protected; may be accessed within subclasses.
ACC_STATIC	0x0008	Declared static.
ACC_FINAL	0x0010	Declared final; never directly assigned to after object construction (JLS §17.5).
ACC_VOLATILE	0x0040	Declared volatile; cannot be cached.
ACC_TRANSIENT	0x0080	Declared transient; not written or read by a persistent object manager.
ACC_SYNTHETIC	0x1000	Declared synthetic; not present in the source code.
ACC_ENUM	0x4000	Declared as an element of an enum.

struct field_info {
    u2             access_flags;
    u2             name_index;
    u2             descriptor_index;
    u2             attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

struct attribute_info {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u1 info[attribute_length];
}

methods_count(u2) #
00 02 表示方法的个数，此处为2个。写了一个，出现了两个，是因为JVM会自动生成一个构造方法<init>.

methods[methods_count] (*) #

init方法
00 01 access_flags = ACC_PUBLIC。
00 07 name_index 指向常量池中的第七个常量，为’<init>’。
00 08 descriptor_index 指向常量池中的第八个常量，为’()V’。上述三个合起来就是 public void <init>()
00 01 attributes_count attributes数量为1.
00 09 attribute_name_index 常量池索引为9，为’Code’。
00 0000 1D attribute_length 属性长度，为'29’

00 0100 0100 0000 052A B700 01B1 0000 0001 000A 0000 0006 0001 0000 0001 注意此时不包含 attribute_name_index 和 attribute_length 属性了。
00 01 max_stack表示这个方法运行的任何时刻所能达到的操作数栈的最大深度，这里是0001
00 01 max_locals表示方法执行期间创建的局部变量的数目，包含用来表示传入的参数的局部变量，这里是0001.
00 0000 05 code_length 表示该方法的所包含的字节码的字节数以及具体的指令码。这里的字节码长度为5，即是后面的5个字节
2A 即 aload_0 = 42 (0x2a)。
B700 01 即 invokespecial = 183 (0xb7) B7后面的两个字节为对一个常量池中的索引位置。
计算方法为 \((indexbyte1 << 8) | indexbyte2\) 也就是对应1，即’ java/lang/Object."<init>":()V ’
B1 即 return = 177 (0xb1)
0000 exception_table_length 异常表的长度为0。
0001 attributes_count 表示有一个附加属性。
000A attribute_name_index 常量池中的索引位置10，为’LineNumberTable’。
0000 0006 attribute_length 长度为6。
0001 line_number_table_length = 1。
0000 start_pc = 0。
0001 line_number = 1。

foo方法
0001 access_flags = ACC_PUBLIC。
000B name_index 指向常量池中的第11个常量，为’foo’。
000C descriptor_index 指向常量池中的第12个常量，为’()I’。上述三个合起来就是 public int foo()
0001 attributes_count attributes数量为1.
0009 attribute_name_index 常量池索引为9，为’Code’。
0000 001D attribute_length 属性长度，为'29’

0001 0001 0000 0005 2AB4 0002 AC00 0000 0100 0A00 0000 0600 0100 0000 04 注意此时不包含 attribute_name_index 和 attribute_length 属性了。
00 01 max_stack表示这个方法运行的任何时刻所能达到的操作数栈的最大深度，这里是0001
00 01 max_locals表示方法执行期间创建的局部变量的数目，包含用来表示传入的参数的局部变量，这里是0001.
0000 0005 code_length 表示该方法的所包含的字节码的字节数以及具体的指令码。这里的字节码长度为5，即是后面的5个字节
2A 即 aload_0 = 42 (0x2a)
B4 0002 即 getfield = 180 (0xb4) B4后面的两个字节为对一个常量池中的索引位置。
计算方法为 \((indexbyte1 << 8) | indexbyte2\) 也就是对应2，即’ Hello.num:I ‘。
AC 即 ireturn = 172 (0xac)
00 00 exception_table_length 异常表的长度为0。
00 01 attributes_count 表示有一个附加属性。
00 0A attribute_name_index 常量池中的索引位置10，为’LineNumberTable’。
00 0000 06 attribute_length 长度为6。
00 01 line_number_table_length = 1。
00 00 start_pc = 0。
00 04 line_number = 4。

Flag Name	Value	Interpretation
ACC_PUBLIC	0x0001	Declared public; may be accessed from outside its package.
ACC_PRIVATE	0x0002	Declared private; usable only within the defining class.
ACC_PROTECTED	0x0004	Declared protected; may be accessed within subclasses.
ACC_STATIC	0x0008	Declared static.
ACC_FINAL	0x0010	Declared final; never directly assigned to after object construction (JLS §17.5).
ACC_VOLATILE	0x0040	Declared volatile; cannot be cached.
ACC_TRANSIENT	0x0080	Declared transient; not written or read by a persistent object manager.
ACC_SYNTHETIC	0x1000	Declared synthetic; not present in the source code.
ACC_ENUM	0x4000	Declared as an element of an enum.

struct method_info {
    u2             access_flags;
    u2             name_index;
    u2             descriptor_index;
    u2             attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}
struct attribute_info {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u1 info[attribute_length];
}
struct Code_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 max_stack;
    u2 max_locals;
    u4 code_length;
    u1 code[code_length];
    u2 exception_table_length;
    {   u2 start_pc;   // 开始位置
        u2 end_pc;     // 结束位置
        u2 handler_pc; // 处理异常的代码的开始处
        u2 catch_type; // 表示会被处理的异常类型，它指向常量池里的一个异常类。当catch_type为0时，表示处理所有的异常，这个可以用来实现finally的功能。
    } exception_table[exception_table_length];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}
struct LineNumberTable_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 line_number_table_length;
    {   u2 start_pc;
        u2 line_number;	
    } line_number_table[line_number_table_length];
}

attributes_count(u2) #
00 01 表示整个class文件的附加属性，这里有1个。

attributes[attributes_count] (*) #

00 0D attribute_name_index 常量池中索引13的值为 SourceFile
00 0000 02 attribute_length 长度为2。
00 0E sourcefile_index 常量池中索引位置为14的值为 Hello.java

struct attribute_info {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u1 info[attribute_length];
}
struct SourceFile_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 sourcefile_index;
}

整体结构图 #
- 使用ImHex分析 #
  起因：在公众号上看见一篇名为【 39.1K酷!!!十六进制编辑器中的瑞士军刀】的文章，根据介绍大概得知可以使用自定义的模式分析和可视化数据，正好我们可以用到。
  然后访问 ImHex官网，根据README中的介绍，一路找到pattern仓库，发现支持列表中正好有官方对 java字节码分析文件。随下载安装一气呵成。然后加载 Hello.class文件，与手动分析的做对比。
  
  对于 ImHex 的学习和使用可以参考 doc | imhex

Reference #

BYTECODE

Intro(ByteCode) #

文件定义 #

文件结构 #

实际分析 #

magic(u4) #

version(u4) #

constant_pool(*) #

access_flags(u2) #

this_class(u2) #

super_class(u2) #

interfaces_count(u2) #

interfaces[interfaces_count] (u2) #

fields_count(u2) #

fields[fields_count] (*) #

methods_count(u2) #

methods[methods_count] (*) #

attributes_count(u2) #

attributes[attributes_count] (*) #

整体结构图 #

使用ImHex分析 #

Reference #