class文件的基本结构及proxy源码分析二

2020-07-10 18:00
tera
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前文地址：https://www.cnblogs.com/tera/p/13267630.html

本系列文章主要是博主在学习spring aop的过程中了解到其使用了java动态代理，本着究根问底的态度，于是对java动态代理的本质原理做了一些研究，于是便有了这个系列的文章

接上文，我们需要了解class字节码的结构，才能更好地理解后面的代码，这里我直接引用jvm文档中的内容

jvm文档地址：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html
下面对字节码的结构简单地做了个说明，大部分都是顾名思义

ClassFile {
    u4             magic;//固定的开头，值为0xCAFEBABE
    u2             minor_version;//版本号，用来标记class的版本
    u2             major_version;//版本号，用来标记class的版本
    u2             constant_pool_count;//静态池大小，是静态池对象数量+1
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];//静态池对象，有效索引是1 ~ count-1
    u2             access_flags;//public、final等描述
    u2             this_class;//当前类的信息
    u2             super_class;//父类的信息
    u2             interfaces_count;//接口数量
    u2             interfaces[interfaces_count];//接口对象
    u2             fields_count;//字段数量
    field_info     fields[fields_count];//字段对象
    u2             methods_count;//方法数量
    method_info    methods[methods_count];//方法对象
    u2             attributes_count;//属性数量
    attribute_info attributes[attributes_count];//属性对象
}

为了不成为一篇枯燥的文档翻译，并且尽快进入Proxy的源码，这里并不会对每一个部分做特别详细的说明，以把握整体为主

回想上篇文章最后，源码我们看到了这里

ProxyGenerator var3 = new ProxyGenerator(var0, var1, var2);
final byte[] var4 = var3.generateClassFile();

接下去我们就可以进入generateClassFile()方法了

把握整体，我们先跳过一部分细节代码，先看下面这部分（这里我做了一个可读性的变量名修改）

注意对照着Class的字节结构来看

最终输出的字节流

ByteArrayOutputStream byteStream = new ByteArrayOutputStream();
DataOutputStream data = new DataOutputStream(byteStream);

写入固定开头magic，这里-889275714就是对应0xCAFEBABE

data.writeInt(-889275714);

写入版本号

data.writeShort(0);//minor_version

data.writeShort(49);//major_version

写入常量池，这里cp就是指constant pool

this.cp.write(data);

这里我们需要进入cp的write方法看一下，也先不要纠结Entry的细节，我们还是先把握整体

public void write(OutputStream var1) throws IOException {
    DataOutputStream var2 = new DataOutputStream(var1);
    /**
     * 这里写入cp的大小，注意size()+1，可以和之前Class结构中的constant_pool_count对应
     */
    var2.writeShort(this.pool.size() + 1);
    Iterator var3 = this.pool.iterator();
    /**
     * 遍历cp中的对象，写入详细信息，对应Class结构中的cp_info
     */
    while(var3.hasNext()) {
        ProxyGenerator.ConstantPool.Entry var4 = (ProxyGenerator.ConstantPool.Entry)var3.next();
        var4.write(var2);
    }
}

接着我们回到外层方法，继续往下看

写入access_flag

data.writeShort(this.accessFlags);

写入当前类的信息

data.writeShort.writeShort(this.cp.getClass(dotToSlash(this.className)));

写入父类的信息（回想类的属性第一条，继承了Proxy类）

data.writeShort.writeShort(this.cp.getClass("java/lang/reflect/Proxy"));

写入接口数量

data.writeShort.writeShort(this.interfaces.length);

遍历接口，写入接口信息

Class[] interfaces = this.interfaces;
int interfaceLength = interfaces.length;
for (int i = 0; i < interfaceLength; ++i) {
    Class intf = interfaces[i];
    data.writeShort(this.cp.getClass(dotToSlash(intf.getName())));
}

写入字段数量

data.writeShort(this.fields.size());

遍历字段，写入字段信息

fieldInerator = this.fields.iterator();
while(fieldInerator.hasNext()) {
    ProxyGenerator.FieldInfo fieldInfo = (ProxyGenerator.FieldInfo) fieldInerator.next();
    fieldInfo.write(data);
}

写入方法数量

data.writeShort(this.methods.size());

遍历方法，写入方法信息

methodIterator = this.methods.iterator();
while(methodIterator.hasNext()) {
    ProxyGenerator.MethodInfo methodInfo = (ProxyGenerator.MethodInfo) methodIterator.next();
    methodInfo.write(data);
}

因为该类没有特别的attribute，因此attribute数量直接写0

data.writeShort(0);

正和之前的类结构完全一一对应，此时我们对proxy所做的事情就有了一个整体的把握

了解了整体之后，下面再深入介绍一下字节码中部分对象的具体格式，为后面进一步看Proxy的源码做一些准备
为了更好地理解下面的内容，我们先定义一个简单的类Test.java

public class Test implements TestInt {

    private int field = 1;

    public int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

interface TestInt {
}

生成.class文件

javac Test.java

查看.class文件

javap -v Test.class

得到结果

Classfile /Users/tianjiyuan/Documents/jvm/Test.class
  Last modified 2020-7-3; size 292 bytes
  MD5 checksum 1afecf9ea44088238bc8aa9804b28208
  Compiled from "Test.java"
public class Test implements TestInt
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#16         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#17         // Test.field:I
   #3 = Class              #18            // Test
   #4 = Class              #19            // java/lang/Object
   #5 = Class              #20            // TestInt
   #6 = Utf8               field
   #7 = Utf8               I
   #8 = Utf8               <init>
   #9 = Utf8               ()V
  #10 = Utf8               Code
  #11 = Utf8               LineNumberTable
  #12 = Utf8               add
  #13 = Utf8               (II)I
  #14 = Utf8               SourceFile
  #15 = Utf8               Test.java
  #16 = NameAndType        #8:#9          // "<init>":()V
  #17 = NameAndType        #6:#7          // field:I
  #18 = Utf8               Test
  #19 = Utf8               java/lang/Object
  #20 = Utf8               TestInt
{
  public Test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: iconst_1
         6: putfield      #2                  // Field field:I
         9: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0
        line 2: 4

  public int add(int, int);
    descriptor: (II)I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=3
         0: iload_1
         1: iload_2
         2: iadd
         3: ireturn
      LineNumberTable:
        line 5: 0
}
SourceFile: "Test.java"

我们先看下面这3个部分正对应minor_version，major_version，access_flags

minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

接着看Constant Pool

Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#16         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#17         // Test.field:I
   #3 = Class              #18            // Test
   ...
   #6 = Utf8               field
   ...

  #16 = NameAndType        #8:#9          // "<init>":()V

其中有如下几种类型

Methodref ：方法的引用
Fieldref：字段的引用
Class ：类的引用
Utf8 ：字符串的引用
NameAndType 类型的描述

下面一个一个介绍

Class结构

CONSTANT_Class_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

表示一个类的引用
tag：表示自身的编号
name_index：必须是常量池中的有效索引，用来表示类的名字
例如

#3 = Class              #18            // Test

tag = 3，表示自身索引为3

name_index = 18，表示名字的索引是18

此时我们查看#18，即这个类的名字是Test

#18 = Utf8               Test

Field、Method、Interface结构

文档中这3者是放在一起的

CONSTANT_Fieldref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

CONSTANT_Methodref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

CONSTANT_InterfaceMethodref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

表示一个字段、方法、接口方法的引用

tag：表示自身编号
class_index：表示常量池中的一个有效索引
　　如果是Methodref_info必须是Class类型的
　　如果是InterfaceMethodref_info则必须是一个Interface
　　如果是Fieldref_info则可以是Class或者是Interface
name_and_type_index：表示常量池中的一个有效索引（表示方法的名字、返回类型、参数）
　　如果是Fieldref_info，则必须是一个对字段的描述，否则必须是一个对方法的描述

例如

#1 = Methodref          #4.#16         // java/lang/Object."<init>":()V

tag = 1，表示自身索引为1
class_index = 4，表示类型是索引为4的类
name_and_type_index = 16，表示方法的描述为索引16

查看4和16

   #4 = Class              #19            // java/lang/Object
  #16 = NameAndType        #8:#9          // "<init>":()V

即表示这个方法是Object类中的构造函数

NameAndType结构

CONSTANT_NameAndType_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
    u2 descriptor_index;
}

用来表示一个方法或者字段，其中不包括该字段或方法所属的类

tag：表示自身编号
name_index：常量池中的一个有效索引，必须是Utf8类型（表示方法或字段的名字）
descriptor_index：常量池中的一个有效索引，必须是Utf8类型（表示方法的返回类型和参数）

例如

#16 = NameAndType        #8:#9          // "<init>":()V

tag = 16
name_index = 8
descriptor_index = 9

查看索引8和9

   #8 = Utf8               <init>
   #9 = Utf8               ()V

方法名为<init>表示构造函数，参数0个，返回值为void

UTF-8结构

CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag;
    u2 length;
    u1 bytes[length];
}

表示一个字符串常量

tag：表示自身编号
length：表示byte数组的长度
bytes[length]：表示具体数据内容
这个部分其实还有很多细节，不过这里就不展开了，有兴趣的可以自行查看jvm文档，后面会有文章详细分析

常量池的内容就介绍到这里，接下去我们还需要看下类结构的其他成员

this_class，必须是一个有效的常量池索引，需要是CONSTANT_Class_info类型的
super_class，必须是一个有效的常量池索引，需要是CONSTANT_Class_info类型的或者为0，表示没有父类
interfaces_count，接口数量，一个int值
interfaces[]，接口数组，数组中的值必须是一个常量池的有效索引，需要是CONSTANT_Class_info类型
fields_count，字段数量

fields[]，字段数组，数组中的值都是field_info结构

field_info {
    u2             access_flags;//access_flag
    u2             name_index;//常量池中的一个有效索引，必须是Utf8类型（表示方法或字段的名字）
    u2             descriptor_index;//常量池中的一个有效索引，必须是Utf8类型（表示字段的描述）
    u2             attributes_count;//跳过，本文不涉及
    attribute_info attributes[attributes_count];//跳过，本文不涉及
}

methods_count，方法数量
methods[]，方法数组，结构如下

method_info {
    u2             access_flags;//access_flag
    u2             name_index;//常量池中的一个有效索引，必须是Utf8类型（表示方法或字段的名字）
    u2             descriptor_index;//常量池中的一个有效索引，必须是Utf8类型（表示方法的描述）
    u2             attributes_count;//属性数量
    attribute_info attributes[attributes_count];//属性的具体内容
}

class文件的一些基本结构就介绍到这里，下一篇文章中会继续结合Proxy的源码，进一步深入了解class的各种结构究竟是怎么被构造的

分类 spring aop和java动态代理研究

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