字节码初体验-从HelloWorld开始

不学习底层知识可能不会阻碍你成为一个称职的程序员，但也许会阻碍你成为一个优秀的程序员。我所理解的底层知识，是指编程或开发所依赖的平台（或者框架、工具）的知识。对于 Java 开发者来说，虚拟机、字节码就是其底层知识。

这篇文章我们以输出 "Hello, World" 来开始字节码之旅，如果之前没有怎么接触过字节码的话，这篇文章应该能够让你对字节码有一个最基本的认识

java 文件如何变成 .class 文件

新建一个 Hello.java 文件，源码如下：

Java 从源文件到执行的过程如下图所示

JDK 工具 javac（java 编译器）帮我们完成了源文件编译成 JVM 可识别的 class 文件的工作。在命令行中执行，可以看到生成了 Hello.class 文件。用 命令以 16 进制的方式查看这个 class 文件。

魔数 0xCAFEBABE

class 文件的头四个字节称为魔数（Magic Number），可以看到 class 的魔数为 0xCAFEBABE。很多文件都以魔数来进行文件类型的区分，比如 PDF 文件的魔数是-(16进制)，png 文件的魔数是（0x89504E47）。文件格式的制定者可以自由的选择魔数值，只要魔数值还没有被广泛的采用过且不会引起混淆即可。

Java 早期开发者选用了这样一个浪漫气息的魔数，高司令有解释这一段 轶事。这个魔数值在 Java 还称为 Oak 语言的时候就已经确定下来了。

这个魔数是 JVM 识别 .class 文件的标志，虚拟机在加载类文件之前会先检查这四个字节，如果不是 0xCAFEBABE 则拒绝加载该文件，更多关于字节码格式的说明，我们会在后面的文章中慢慢介绍。

javap 详解

类文件是二进制块，想直接与它打交道比较艰难，但是很多情况下我们必须理解类文件。比如服务器上的接口出了 bug，重新打包部署以后问题并没有解决，为了找出原因你可能需要看一下部署以后的 class 文件究竟是不是我们想要的。还有一种情况跟你合作的开发商跑路了，只给你留下一堆编译过的代码，没有源代码，当出 bug 时我们需要研究这些类文件，看问题出在哪里。好在 JDK 提供了专门用来分析类文件的工具：，用来方便的窥探 class 文件内部的细节。javap 有比较多的参数选项，其中是最常用的。

-c选项

最常用的选项是，可以对类进行反编译。执行的输出结果如下

上面代码前面的数字表示从方法开始算起的字节码偏移量

3 ~ 7 行：可以看到虽然没有写 Hello 类的构造器函数，编译器会自动加上一个默认构造器函数

5 行：aload_0 这个操作码是 aload_x 格式操作码中的一个。它们用来把对象引用加载到操作数栈。x 表示正在被访问的局部变量数组的位置。在这里的 0 代表什么呢？我们知道非静态的函数都有第一个默认参数，那就是 this，这里的 aload_0 就是把 this 入栈

6 行：invokespecial #1，invokespecial 指令调用实例初始化方法、私有方法、父类方法，#1 指的是常量池中的第一个，这里是方法引用，也即构造器函数

7 行：return，这个操作码属于 ireturn、lreturn、freturn、dreturn、areturn 和 return 操作码组中的一员，其中 i 表示 int，返回整数，同类的还有 l 表示 long，f 表示 float，d 表示 double，a 表示 对象引用。没有前缀类型字母的 return 表示返回 void

到此为止，默认构造器函数就讲完了，接下来，我们来看 9 ~ 14 行的 main 函数

11 行：getstatic #2，getstatic 获取指定类的静态域，并将其值压入栈顶，#2 代表常量池中的第 2 个，这里表示的是java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;，其实就是java.lang.System 类的静态变量 out（类型是 PrintStream）

12 行：ldc #3、，ldc 用来将常量从运行时常量池压栈到操作数栈，#3 代表常量池的第三个（字符串 Hello, World）

13 行：invokevirtual #4，invokevirutal 指令调用一个对象的实例方法，#4 表示 PrintStream.println(String) 函数引用，并把栈顶两个元素出栈

-p 选项

默认情况下，javap 会显示访问权限为 public、protected 和默认（包级 protected）级别的方法，加上 -p 选项以后可以显示 private 方法和字段

-v 选项

javap 加上 -v 参数的输出更多详细的信息，比如栈大小、方法参数的个数。

为什么和的都等于呢？明明 Hello 的构造器函数没有参数的呀？对于非静态函数，this对象会作为函数的隐式第一个参数，所以的 对于静态函数，不需要对象，它的参数就是这个数组，也等于

-s选项

javap 还有一个好用的选项 -s，可以输出签名的类型描述符。我们可以看下 Hello.java 所有的方法签名

可以看到 main 函数的方法签名是 。JVM 内部使用方法签名与我们日常阅读的方法签名不太一样，但是后面会频繁遇到，主要分为两部分字段描述符和方法描述符。

字段描述符（Field Descriptor），是一个表示类、实例或局部变量的语法符号，它的表示形式是紧凑的，比如 int 是用 I 表示的。完整的类型描述符如下表

方法描述符（Method Descriptor）表示一个方法所需参数和返回值信息，表示形式为。ParameterDescriptor 表示参数类型，ReturnDescriptor表示返回值信息，当没有返回值时用V表示。比如方法的描述符为;

小结

这篇文章讲解了一个输出 "Hello, World" 的字节码的细节，一起来回顾一下要点：

第一，class 文件的魔数是具有浪漫气息的 0xCAFEBABE；

第二，我们讲解了字节码分析的利器 javap 的各个参数详细的用法。第三，讲解了字段描述符与方法描述符在 JVM 层面的表示规则，方便我们后面文章的理解。