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Java 在刚刚诞生之时曾经提出过一个非常著名的口号: “一次编写，到处运行（write once，run anywhere）”，这句话充分表达了软件开发人员对冲破平台界限的渴求。“与平台无关”的理想最终实现在操作系统的运用层上: 虚拟机提供商开发了许多可以运行在不同平台上的虚拟机，这些虚拟机都可以载入和执行同一种平台无关的字节码，从而实现了程序的“一次编写到处运行”。
各种不同平台的虚拟机与所有平台都统一使用的程序存储格式—字节码（ByteCode），因此，可以看出字节码对 Java 生态的重要性。之所以被称为字节码，是因为字节码是由十六进制组成的，而 JVM（Java Virtual Machine）以两个十六进制为一组，即以字节为单位进行读取。在 Java 中使用 javac 命令把源代码编译成字节码文件，一个 .java 源文件从编译成 .class 字节码文件的示例如图 1 所示:
对于从事基于 JVM 的语言的开发人员来说，比如: Java，了解字节码可以更准确、更直观的理解 Java 语言中更深层次的东西，比如通过字节码，可以很直观的看到 volatile 关键字如何在字节码上生效。另外，字节码增强技术在各种 ORM 框架、Spring AOP、热部署等一些应用中经常使用，深入理解其原理对于我们来说大有裨益。由于 JVM 规范的存在，只要最终生成了符合 JVM 字节码规范的文件都可以在 JVM 上运行，因此，这个也给其它各种运行在 JVM 上的语言（如: Scala、Groovy、Kotlin）提供了一个机会，可以扩展 Java 没有实现的特性或者实现一些语法糖。
接下来就让我们就一起看看这个字节码文件结构到底是什么样的。
Java 源文件通过用 javac 命令编译后就会得到 .class 结尾的字节码文件，比如一个简单的 JavaCodeCompilerDemo 类如图 2 所示:
（1）魔数（Magic Number）
每个字节码文件的头 4 个字节称为 魔数（Magic Number），它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的 Class 文件。很多文件存储标准中都使用魔数来进行身份识别，譬如图片格式，如 gif 或者 jpg 等在文件头中都存有魔数。使用魔数而不是扩展名来进行识别主要是基于安全方面的考虑，因为文件扩展名可以随意改动。魔数的固定值为: 0xCAFEBABE，魔数放在文件头，JVM 可以根据文件的开头来判断这个文件是否可能是一个字节码文件，如果是，才会进行之后的操作。
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（Version）
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 3 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 52（3 * 16^1 + 4 * 16^0 = 52），在 Oracle 官网中查询序号 52 对应的 JDK 版本为 1.8，所以编译该源代码文件的 Java 版本为 1.8.0。
（3）常量池（Constant Pool）
紧接着主版本号之后的字节是常量池入口。常量池中存储两种类型常量: 字面量和符号运用。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: 常量池计数器和常量池数据区，如图 5 所示：
| 名称 | 长度 | 值 |
|---|---|---|
| tag | 1 字节 | 01 对应图 7 中 CONSTANT_Utf8_info 的标志栏中的值 |
| length | 2 字节 | 该 utf8 字符串的长度 |
| bytes | length 字节 | length 个字节的具体数据 |
首先第一个字节 tag，它的取值对应图 7 中的 Tag，由于它的类型是 CONSTANT_Utf8_info，所以值为 01（十六进制）。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 3 的字节码中摘取一个 cp_info 结构，将它翻译过来后，其含义为: 该常量为 utf8 字符串，长度为 7 字节，数据为: numberA，如图 8 所示:
（4）访问标志（access_flag）
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 规范规定了如下表 2 所示的 9 种访问标志。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。
| 标志名称 | 标志值 | 含义 |
|---|---|---|
| ACC_PUBLIC | 0x0001 | 字段是否为 public |
| ACC_PRIVATE | 0x0002 | 字段是否为 private |
| ACC_PROTECTED | 0x0004 | 字段是否为 protected |
| ACC_STATIC | 0x0008 | 字段是否为 static |
| ACC_FINAL | 0x0010 | 字段是否为 final |
| ACC_VOLATILE | 0x0040 | 字段是否为 volatile |
| ACC_TRANSIENT | 0x0080 | 字段是否为 transient |
| ACC_SYNCHETIC | 0x1000 | 字段是否为编译器自动产生 |
| ACC_ENUM | 0x4000 | 字段是否为 enum |
（5）当前类名（this_class）
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（super_class）
当前类名的后两个字节，描述父类的全限定名。这两个字节保存的值也是在常量池中的索引值，根据索引值就能在常量池中找到这个类的父类的全限定名。
（7）接口信息（interfaces）
父类名称后的两个字节，描述这个类的接口计数器，即: 当前类或父类实现的接口数量。紧接着的 n 个字节是所有的接口名称的字符串常量在常量池的索引值。
（8）字段表（field_table）
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，第一部分是两个字节，描述字段个数，第二部分是每个字段的详细信息 field_info。字段表结构如图 10 所示:
（9）方法表（method_table）
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，第二个部分为每个方法的详细信息。方法的详细信息包括：方法的访问标志、方法名、方法的描述符以及方法的属性，如图 12 所示:
（10）附加属性表（additional_attribute_table）
字节码的最后一部分，存放了在文件中类或接口所定义的属性的基本信息。
在图 13 中，Code 区的编号是 0 ~ 10，就是 .java 源文件的方法源代码编译后让 JVM 真正执行的操作码。为了帮助人们理解，反编译后看到的是十六进制操作码所对应的助记符，十六进制值操作码和助记符的对应关系，以及每个操作码的具体作用可以查看 Oracle 官网，在需要的时候查阅即可。比如上图 13 的助记符为 iconst_2，对应图 3 中的字节码 0x05，作用是将 int 值 2 压入操作数栈中。以此类推，对 0 ~ 10 的助记符理解后就是整个 sum() 方法的操作数码实现。
如果我们每次反编译都要使用 javap 命令的话，确实比较繁琐，这里我推荐大家一个 IDEA 插件: jclasslib。使用效果如图 14 所示: 代码编译后在菜单栏: View -> Show Bytecode With jclasslib，可以很直观地看到当前字节码文件的类信息、常量池、方法区等信息，非常方便。
Java 中字节码文件是 JVM 执行引擎的数据入口，也是 Java 技术体系的基础构成之一。了解字节码文件的组成结构对后面进一步了解虚拟机和深入学习 Java 有很重要的意义。本文较为详细的讲解了字节码文件结构的各个组成部分，以及每个部分的定义、数据结构和使用方法。强烈建议自己动手分析一下，会理解得更加深入。
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原文地址：https://www.cnblogs.com/mghio/p/12526775.html
