JVM 字節碼是 Java 虛擬機 (JVM) 執行的指令集，它是一種與平臺無關的二進制格式，在任何支持 JVM 的平臺上都可運行的Java 程序。 字節碼存儲信息的方式，主要通過以下幾個關鍵組成部分和機制來實現：
1. 指令 (Opcodes) 和 操作數 (Operands):
- 指令 (Opcodes): 字節碼的核心是指令集，每條指令都是一個單字節 (byte) 的數字編碼，稱為 操作碼 (opcode)。 操作碼定義了 JVM 需要執行的具體操作，例如：
- 算術運算:
iadd(整數加法),isub(整數減法),fmul(浮點數乘法) 等。 - 數據加載和存儲:
iload(加載整數到操作數棧),istore(將整數從操作數棧存儲到局部變量表),getfield(獲取對象字段值) 等。 - 類型轉換:
i2f(整數轉浮點數),l2i(長整型轉整型) 等。 - 方法調用:
invokevirtual(調用虛方法),invokestatic(調用靜態方法),invokeinterface(調用接口方法) 等。 - 控制流:
goto(無條件跳轉),ifeq(如果等于 0 則跳轉),return(方法返回) 等。
- 算術運算:
- 操作數 (Operands): 有些指令需要額外的操作數 (operands) 來指定指令執行所需的參數或數據。 操作數緊跟在操作碼之后，可以是：
- 字節 (byte): 例如，用于表示局部變量表的索引、常量池的索引等。
- 短整型 (short): 例如，用于表示分支指令的偏移量。
- 整型 (int): 例如，用于表示常量池的索引 (在某些指令中)。
- 常量池索引 (constant pool index): 指向常量池中特定項的索引，用于引用類名、方法名、字段名、字符串字面量、數值常量等。
案例:
// Java 源代碼
public class Example {public static int add(int a, int b) {return a + b;}
}// 對應的 JVM 字節碼 (簡化表示)
// 方法 add 的字節碼
0: iload_0 // 將局部變量 0 (a) 推入操作數棧
1: iload_1 // 將局部變量 1 (b) 推入操作數棧
2: iadd // 執行整數加法，棧頂兩個值相加，結果推回棧頂
3: ireturn // 從方法返回，返回棧頂的整數值
在這個例子中：
iload_0,iload_1,iadd,ireturn都是操作碼 (指令)。iload_0和iload_1的操作數是隱式的 (隱含了局部變量表的索引 0 和 1)。
2. 常量池 (Constant Pool):
- 關鍵的數據結構: 常量池是
.class文件中的一個表結構，也是字節碼存儲信息的核心組成部分。 它存儲了類、方法、字段、字符串字面量、數值常量等各種符號引用和字面量常量。 - 動態鏈接的基礎: 常量池為 JVM 的動態鏈接機制提供了基礎。 字節碼中的指令通常通過常量池索引來引用程序中的各種符號和常量，而不是直接使用內存地址。 這使得字節碼具有平臺無關性，因為具體的內存地址在運行時才由 JVM 決定。
- 存儲類型: 常量池中的每一項 (constant pool entry) 都有一個 tag 標識其類型，常見的類型包括：
CONSTANT_Class_info: 類或接口的符號引用 (類名、接口名)。CONSTANT_Fieldref_info: 字段的符號引用 (類名、字段名、字段描述符)。CONSTANT_Methodref_info: 方法的符號引用 (類名、方法名、方法描述符)。CONSTANT_InterfaceMethodref_info: 接口方法的符號引用。CONSTANT_String_info: 字符串字面量。CONSTANT_Integer_info,CONSTANT_Float_info,CONSTANT_Long_info,CONSTANT_Double_info: 數值常量 (整數、浮點數、長整型、雙精度浮點數)。CONSTANT_NameAndType_info: 字段或方法名稱和描述符。CONSTANT_Utf8_info: UTF-8 編碼的字符串 (用于存儲類名、方法名、字段名等字符串)。- … (還有其他類型)
例子 (常量池引用):
// Java 源代碼
public class Example {private String message = "Hello"; // 字符串字面量 "Hello"public void printMessage() {System.out.println(message); // 引用字段 message}
}// 對應的 JVM 字節碼 (簡化表示)
// ... (省略其他字節碼)
// getfield 指令，操作數是常量池索引 #2
4: getfield #2 // Field Example.message:Ljava/lang/String;// 常量池 #2 項 (簡化表示)
#2 = Fieldref #4.#5 // 字段引用#4 = Class #6 // 類名引用#5 = NameAndType #7:#8 // 名稱和類型引用#6 = Utf8 Example // 類名字符串 "Example"#7 = Utf8 message // 字段名字符串 "message"#8 = Utf8 Ljava/lang/String; // 字段類型描述符 "Ljava/lang/String;"
在這個例子中：
getfield #2指令使用常量池索引#2來引用要訪問的字段message。- 常量池
#2項是一個Fieldref結構，它又通過其他常量池索引引用了類名、字段名和字段描述符等信息。 - 字符串字面量
"Hello"也存儲在常量池中 (例如，通過CONSTANT_String_info和CONSTANT_Utf8_info)，并在需要時被引用。
3. 局部變量表 (Local Variable Table):
- 存儲方法內的局部變量: 局部變量表是每個方法在運行時創建的棧幀 (stack frame) 的一部分。 它用于存儲方法內部的局部變量，包括：
- 方法的參數 (arguments)。
- 方法體內部定義的局部變量。
- 數組結構: 局部變量表本質上是一個數組，每個數組元素可以存儲一個 Java 的基本數據類型值 (int, float, long, double, byte, short, char, boolean) 或對象引用 (reference)。
- 索引訪問: 字節碼指令使用索引來訪問局部變量表中的變量，例如
iload_0加載索引為 0 的局部變量，istore_1將值存儲到索引為 1 的局部變量。
4. 操作數棧 (Operand Stack):
- 運算和操作的工作區: 操作數棧是每個方法棧幀的另一個重要組成部分。 它是一個后進先出 (LIFO) 的棧，用于：
- 存儲指令的操作數: 指令執行時，會從操作數棧中彈出操作數。
- 存儲指令的運算結果: 指令執行完畢后，會將結果壓入操作數棧頂。
- 指令的執行流程: JVM 的字節碼指令大多是基于棧的指令集。 指令通常會：
- 從局部變量表或常量池加載數據到操作數棧。
- 從操作數棧中彈出操作數進行運算。
- 將運算結果壓入操作數棧。
- 將操作數棧頂的值存儲到局部變量表或字段中，或者作為方法返回值返回。
5. 方法區 (Method Area) (元空間/永久代):
- 存儲類元數據: 方法區 (在 JDK 8 及之后被元空間 Metaspace 取代，JDK 7 及之前為永久代 PermGen) 用于存儲類的信息，包括：
- 類的結構信息: 例如，類的名稱、父類、實現的接口、字段信息、方法信息、訪問修飾符等。
- 運行時常量池 (Runtime Constant Pool): 每個類都有一個運行時常量池，它是
.class文件常量池在運行時的表示形式，用于支持動態鏈接。 - 靜態變量: 類的靜態變量也存儲在方法區中。
- JIT 編譯后的代碼: 即時編譯器 (JIT Compiler) 編譯后的本地機器碼通常也存儲在方法區中。
總結:
JVM 字節碼通過以下方式存儲信息：
- 指令集 (Opcodes): 定義了 JVM 要執行的操作，每條指令都是一個單字節編碼。
- 操作數 (Operands): 為指令提供參數或數據，可以是字節、短整型、整型或常量池索引。
- 常量池 (Constant Pool): 存儲了類、方法、字段、字符串字面量、數值常量等符號引用和字面量常量，是動態鏈接的基礎。
- 局部變量表 (Local Variable Table): 存儲方法內部的局部變量，包括參數和方法體內部定義的變量。
- 操作數棧 (Operand Stack): 作為指令運算和操作的工作區，存儲指令的操作數和運算結果。
- 方法區 (Method Area) / 元空間 (Metaspace): 存儲類的元數據信息，包括類結構、運行時常量池、靜態變量等。
