虚拟机执行子系统
一、类文件结构
1.魔数和class版本
1.magic-魔数：0xCAFEBABE；4字节
2.minor_version：次版本，丶之后的数字；2字节
3.major_version：主版本，丶之前的数字；2字节
2.常量池
1.constant_pool_count：常量池常量数量（= 此值 - 1）：2字节
由于常量池中常量的数量是不固定的，所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的数据，代表常量池容量计数值。
2.constant_pool：常量，第一位为类型位，之后的就是按照各自常量的定义：n字节
3.访问标识符
1.access_flags：访问标识
这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息，包括：这个Class是类还是接口；是否定义为public类型；是否定义为abstract类型；如果是类的话，是否被声明为final等。
如：0x0001 0x0020说明是一个公共的类
4.类索引、父类索引、接口索引：Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系
1.this_class：类索引：2字节
类索引用于确定这个类的全限定名
2.super_class：父类索引：2字节
父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。由于Java语言不允许多重继承，所以父类索引只有一个，除了java.lang.Object之外，所有的Java类都有父类，因此除了java.lang.Object外，所有Java类的父类索引都不为0
3.interfaces：接口索引：2字节数组
接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口，这些被实现的接口将按implements语句（如果这个类本身是一个接口，则应当是extends语句）后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中
接口索引开头为数量：2字节
查找：
类索引、父类索引和接口索引集合都按顺序排列在访问标志之后，类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示，它们各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量，通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串
5.字段表集合
可以包括的信息有：
字段的作用域（public、private、protected修饰 符）、是实例变量还是类变量（static修饰符）、可变性（final）、并发可见性（volatile修饰 符，是否强制从主内存读写）、可否被序列化（transient修饰符）、字段数据类型（基本类型、对象、数组）、字段名称。上述这些信息中，各个修饰符都是布尔值，要么有某个修饰符，要么没有，很适合使用标志位来表示。
字段名、字段数据类型，这些都是无法固定的，只能引用常量池中的常量来描述
1.access_flags：字段访问标识：u2
2.name_index：字段简单名称:u2
引用常量池常量
3.descriptor_index：方法描叙符：u2
描叙字段：字段类型
描叙方法：(参数列表)描叙符
引用常量池常量
6.方法表集合
7.class、字段、方法等的属性表
预定义的有21种，每种都有自己的结构
1.Code属性
attribute_name_index是一项指向CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，常量值固定为“Code”，它代表了该属性的属性名称
attribute_length指示了属性值的长，所以属性值的长度固定为整个属性表长度减去6个字节。
max_stack代表了操作数栈（Operand Stacks）深度的最大值。在方法执行的任意时刻，操作数栈都不会超过这个深度。虚拟机运行的时候需要根据这个值来分配栈帧（StackFrame）中的操作栈深度。
max_locals代表了局部变量表所需的存储空间。
code_length和code用来存储Java源程序编译后生成的字节码指令。
code：字节码
exception：异常表
如果当字节码在第start_pc行[1]到第end_pc行之间（不含第end_pc行）出现了类型为catch_type或者其子类的异常（catch_type为指向一个CONSTANT_Class_info型常量的索引）
则转到第handler_pc行继续处理。当catch_type的值为0时，代表任意异常情况都需要转向到handler_pc处进行处理
//Java源码
public int inc（）{
int x；
try{
x=1；
return x；
}catch（Exception e）{
x=2；
return x；
}finally{
x=3；
}
}/
/编译后的ByteCode字节码及异常表
public int inc（）；
Code：
Stack=1，Locals=5，Args_size=1
0：iconst_1//try块中的x=1
1：istore_1
2：iload_1//保存x到returnValue中，此时x=1
3：istore 4
5：iconst_3//finaly块中的x=3
6：istore_1
7：iload 4//将returnValue中的值放到栈顶，准备给ireturn返回
9：ireturn
10：astore_2//给catch中定义的Exception e赋值，存储在Slot 2中
11：iconst_2//catch块中的x=2
12：istore_1
13：iload_1//保存x到returnValue中，此时x=2
14：istore 4
16：iconst_3//finaly块中的x=3
17：istore_1
18：iload 4//将returnValue中的值放到栈顶，准备给ireturn返回
20：ireturn
21：astore_3//如果出现了不属于java.lang.Exception及其子类的异常才会走到这里
22：iconst_3//finaly块中的x=3
23：istore_1
24：aload_3//将异常放置到栈顶，并抛出
25：athrow
Exception table：
from to target type
0 5 10 Class java/lang/Exception
0 5 21 any
10 16 21 any
异常表实际上是Java代码的一部分，编译器使用异常表而不是简单的跳转命令来实现Java异常及finally处理机制
2.Exception属性
方法的异常
number_of_exceptions：表示方法可能抛出number_of_exceptions种受查异常
exception_index_table：一个指向常量池中CONSTANT_Class_info型常量的索引，代表了该受查异常的类型
3.LineNumberTable属性
LineNumberTable：描述Java源码行号与字节码行号（字节码的偏移量）之间的对应关系它并不是运行时必需的属性，但默认会生成到Class文件之中
可以在Javac中分别使用-g：none或-g：lines选项来取消或要求生成这项信息。如果选择不生成LineNumberTable属性
对程序运行产生的最主要的影响就是当抛出异常时，堆栈中将不会显示出错的行号，并且在调试程序的时候，也无法按照源码行来设置断点
line_number_table：数量为line_number_table_length、类型为line_number_info的集合，
line_number_info：表包括了start_pc和line_number两个u2类型的数据项，前者是字节码行号，后者是Java源码行号
4.LocalVariableTable属性
LocalVariableTable：描述栈帧中局部变量表中的变量与Java源码中定义的变量之间的关系，它也不是运行时必需的属性
但默认会生成到Class文件之中，可以在Javac中分别使用-g：none或-g：vars选项来取消或要求生成这项信息。
如果没有生成这项属性，最大的影响就是当其他人引用这个方法时，所有的参数名称都将会丢失，IDE将会使用诸如arg0、arg1之类的占位符代替原有的参数名，这对程序运行没有影响，但是会对代码编写带来较大不便，而且在调试期间无法根据参数名称从上下文中获得参数值
local_variable_info：代表了一个栈帧与源码中的局部变量的关联
局部变量的生命周期开始的字节码偏移量及其作用范围覆盖的长度，两者结合起来就是这个局部变量在字节码之中的作用域范围。
name_index和descriptor_index：指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，分别代表了局部变量的名称以及这个局部变量的描述符。
index：这个局部变量在栈帧局部变量表中Slot的位置。当这个变量数据类型是64位类型时（double和long），它占用的Slot为index和index+1两个
泛型的支持属性
LocalVariableTable属性增加了一个“姐妹属性”：LocalVariableTypeTable
Signature），
对于非泛型类型来说，描述符和特征签名能描述的信息是基本一致的，但是泛型引入之后，由于描述符中泛型的参数化类型被擦除掉
描述符就不能准确地描述泛型类型了，因此出现了LocalVariableTypeTable。
5.SourceFile属性
SourceFile属性用于记录生成这个Class文件的源码文件名称。这个属性也是可选的，可以分别使用Javac的-g：none或-g：source选项来关闭或要求生成这项信息。
在Java中，对于大多数的类来说，类名和文件名是一致的，但是有一些特殊情况（如内部类）例外。如果不生成这项属性，当抛出异常时，堆栈中将不会显示出错代码所属的文件名
sourcefile_index：指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，常量值是源码文件的文件名
6.ConstantValue属性
ConstantValue属性的作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值。
只有被static关键字修饰的变量（类变量）才可以使用这项属性。
对于非static类型的变量（也就是实例变量）的赋值是在实例构造器＜init＞方法中进行的；
而对于类变量，则有两种方式可以选择：
如果同时使用final和static来修饰一个变量，并且这个变量的数据类型是基本类型或者java.lang.String的话，就生成ConstantValue属性来进行初始化
如果这个变量没有被final修饰，或者并非基本类型及字符串，则将会选择在＜clinit＞方法中进行初始化
ConstantValue属性是一个定长属性
attribute_length：数据项值必须固定为2。
constantvalue_index：数据项代表了常量池中一个字面量常量的引用
根据字段类型的不同，字面量可以是CONSTANT_Long_info、CONSTANT_Float_info、CONSTANT_Double_info、CONSTANT_Integer_info、CONSTANT_String_info常量中的一种
7.InnerClasses属性
InnerClasses属性用于记录内部类与宿主类之间的关联。如果一个类中定义了内部类，那编译器将会为它以及它所包含的内部类生成InnerClasses属性
number_of_classes：代表需要记录多少个内部类信息，每一个内部类的信息都由一个inner_classes_info表进行描述
inner_class_info_index和outer_class_info_index：指向常量池中CONSTANT_Class_info型常量的索引，分别代表了内部类和宿主类的符号引用。
inner_name_index：指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，代表这个内部类的名称，如果是匿名内部类，那么这项值为0。
inner_class_access_flags：内部类的访问标志，类似于类的access_flags
8.Deprecated及Synthetic属性
Deprecated属性用于表示某个类、字段或者方法，已经被程序作者定为不再推荐使用，它可以通过在代码中使用@deprecated注释进行设置。
Synthetic属性代表此字段或者方法并不是由Java源码直接产生的，而是由编译器自行添加的，
9.StackMapTable属性
字节码验证
10.Signature属性
泛型被擦出后，获取泛型信息
11.BootstrapMethods属性
BootstrapMethods属性在JDK 1.7发布后增加到了Class文件规范之中，它是一个复杂的变长属性，位于类文件的属性表中。这个属性用于保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符。
8.字节码指令简介
1.加载和存储指令
加载和存储指令用于将数据在栈帧中的局部变量表和操作数栈（见第2章关于内存区域的介绍）之间来回传输，这类指令包括如下内容。
将一个局部变量加载到操作栈：iload、iload_＜n＞、lload、lload_＜n＞、fload、fload_＜n＞、dload、dload_＜n＞、aload、aload_＜n＞。
将一个数值从操作数栈存储到局部变量表：istore、istore_＜n＞、lstore、lstore_＜n＞、fstore、fstore_＜n＞、dstore、dstore_＜n＞、astore、astore_＜n＞。
将一个常量加载到操作数栈：bipush、sipush、ldc、ldc_w、ldc2_w、aconst_null、iconst_m1、iconst_＜i＞、lconst_＜l＞、fconst_＜f＞、dconst_＜d＞。
扩充局部变量表的访问索引的指令：wide。
2.运算指令
加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd。
减法指令：isub、lsub、fsub、dsub。
乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul。
除法指令：idiv、ldiv、fdiv、ddiv。
求余指令：irem、lrem、frem、drem。
取反指令：ineg、lneg、fneg、dneg。
位移指令：ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr。
按位或指令：ior、lor。
按位与指令：iand、land。
按位异或指令：ixor、lxor。
局部变量自增指令：iinc。
比较指令：dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp。
3.类型转换指令
Java虚拟机直接支持（即转换时无需显式的转换指令）以下数值类型的宽化类型转换（Widening Numeric Conversions，即小范围类型向大范围类型的安全转换）：
int类型到long、float或者double类型。
long类型到float、double类型。
float类型到double类型。
处理窄化类型转换（Narrowing Numeric Conversions）
这些转换指令包括：i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l和d2f。
4.对象访问与创建
创建类实例的指令：new。
创建数组的指令：newarray、anewarray、multianewarray。
访问类字段（static字段，或者称为类变量）和实例字段（非static字段，或者称为实例变量）的指令：getfield、putfield、getstatic、putstatic。
把一个数组元素加载到操作数栈的指令：baload、caload、saload、iaload、laload、faload、daload、aaload。
将一个操作数栈的值存储到数组元素中的指令：bastore、castore、sastore、iastore、fastore、dastore、aastore。
取数组长度的指令：arraylength。
检查类实例类型的指令：instanceof、checkcast。
5.操作数栈管理指令
如同操作一个普通数据结构中的堆栈那样，Java虚拟机提供了一些用于直接操作操作数栈的指令，
包括：
将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈：pop、pop2。
复制栈顶一个或两个数值并将复制值或双份的复制值重新压入栈顶：dup、dup2、dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2。
将栈最顶端的两个数值互换：swap
6.控制转移指令
条件分支：ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq和if_acmpne。
复合条件分支：tableswitch、lookupswitch。
无条件分支：goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret。
7.方法调用和返回
invokevirtual指令用于调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派（虚方法分派），这也是Java语言中最常见的方法分派方式。
invokeinterface指令用于调用接口方法，它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象，找出适合的方法进行调用。
invokespecial指令用于调用一些需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化方法、私有方法和父类方法。
invokestatic指令用于调用类方法（static方法）。
invokedynamic指令用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，并执行该方法，前面4条调用指令的分派逻辑都固化在Java虚拟机内部，
invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。方法调用指令与数据类型无关，而方法返回指令是根据返回值的类型区分的，包括ireturn（当返回值是boolean、byte、char、short和int类型时使用）、lreturn、freturn、dreturn和areturn，另外还有一条return指令供声明为void的方法、实例初始化方法以及类和接口的类初始化方法使用
8.异常处理指令
athrow指令来实现
除了用throw语句显式抛出异常情况之外，Java虚拟机规范还规定了许多运行时异常会在其他Java虚拟机指令检测到异常状况时自动抛出。
例如，在前面介绍的整数运算中，当除数为零时，虚拟机会在idiv或ldiv指令中抛出ArithmeticException异常。
而在Java虚拟机中，处理异常（catch语句）不是由字节码指令来实现的（很久之前曾经使用jsr和ret指令来实现，现在已经不用了），而是采用异常表来完成的。
9.同步指令
同步一段指令集序列通常是由Java语言中的synchronized语句块来表示的
Java虚拟机的指令集中有monitorenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字的语义
void onlyMe（Foo f）{
synchronized（f）{
doSomething（）；
}
}
// 指令码
Method void onlyMe（Foo）
0 aload_1//将对象f入栈
1 dup//复制栈顶元素（即f的引用）
2 astore_2//将栈顶元素存储到局部变量表Slot 2中
3 monitorenter//以栈顶元素（即f）作为锁，开始同步
4 aload_0//将局部变量Slot 0（即this指针）的元素入栈
5 invokevirtual#5//调用doSomething（）方法
8 aload_2//将局部变量Slow 2的元素（即f）入栈
9 monitorexit//退出同步
10 goto 18//方法正常结束，跳转到18返回
13 astore_3//从这步开始是异常路径，见下面异常表的Taget 13
14 aload_2//将局部变量Slow 2的元素（即f）入栈
15 monitorexit//退出同步
16 aload_3//将局部变量Slow 3的元素（即异常对象）入栈
17 athrow//把异常对象重新抛出给onlyMe（）方法的调用者
18 return//方法正常返回
Exception table：
FromTo Target Type
4 10 13 any
13 16 13 any
