Java class文件格式之常量池_動力節(jié)點Java學(xué)院整理

常量池中各數(shù)據(jù)項類型詳解

常量池中的數(shù)據(jù)項是通過索引來引用的， 常量池中的各個數(shù)據(jù)項之間也會相互引用。在這11中常量池數(shù)據(jù)項類型中， 有兩種比較基礎(chǔ)， 之所以說它們基礎(chǔ)， 是因為這兩種類型的數(shù)據(jù)項會被其他類型的數(shù)據(jù)項引用。 這兩種數(shù)據(jù)類型就是CONSTANT_Utf8 和 CONSTANT_NameAndType ， 其中CONSTANT_NameAndType類型的數(shù)據(jù)項（CONSTANT_NameAndType_info）也會引用CONSTANT_Utf8類型的數(shù)據(jù)項（CONSTANT_Utf8_info） 。 與其他介紹常量池的書籍或其他資料不同， 本著循序漸進(jìn)和先后分明的原則， 我們首先對這兩種比較基本的類型的數(shù)據(jù)項進(jìn)行介紹， 然后再依次介紹其他9中數(shù)據(jù)項。 

（1） CONSTANT_Utf8_info

一個CONSTANT_Utf8_info是一個CONSTANT_Utf8類型的常量池數(shù)據(jù)項， 它存儲的是一個常量字符串。 常量池中的所有字面量幾乎都是通過CONSTANT_Utf8_info描述的。下面我們首先講解CONSTANT_Utf8_info數(shù)據(jù)項的存儲格式。在前面的文章中， 我們提到， 常量池中數(shù)據(jù)項的類型由一個整型的標(biāo)志值（tag）決定， 所以所有常量池類型的info中都必須有一個tag信息， 并且這個tag值位于數(shù)據(jù)項的第一個字節(jié)上。 一個11中常量池數(shù)據(jù)類型， 所以就有11個tag值表示這11中類型。而CONSTANT_Utf8_info的tag值為1， 也就是說如果虛擬機要解析一個常量池數(shù)據(jù)項， 首先去讀這個數(shù)據(jù)項的第一個字節(jié)的tag值， 如果這個tag值為1， 那么就說明這個數(shù)據(jù)項是一個CONSTANT_Utf8類型的數(shù)據(jù)項。 緊挨著tag值的兩個字節(jié)是存儲的字符串的長度length， 剩下的字節(jié)就存儲著字符串。 所以， 它的格式是這樣的：

其中tag占一個字節(jié)， length占2個字節(jié)， bytes代表存儲的字符串， 占length字節(jié)。所以， 如果這個CONSTANT_Utf8_info存儲的是字符串"Hello"， 那么他的存儲形式是這樣的：

現(xiàn)在我們知道了CONSTANT_Utf8_info數(shù)據(jù)項的存儲形式， 那么CONSTANT_Utf8_info數(shù)據(jù)項都存儲了什么字符串呢？ CONSTANT_Utf8_info可包括的字符串主要以下這些：

• 程序中的字符串常量
• 常量池所在當(dāng)前類（包括接口和枚舉）的全限定名
• 常量池所在當(dāng)前類的直接父類的全限定名
• 常量池所在當(dāng)前類型所實現(xiàn)或繼承的所有接口的全限定名
• 常量池所在當(dāng)前類型中所定義的字段的名稱和描述符
• 常量池所在當(dāng)前類型中所定義的方法的名稱和描述符
• 由當(dāng)前類所引用的類型的全限定名
• 由當(dāng)前類所引用的其他類中的字段的名稱和描述符
• 由當(dāng)前類所引用的其他類中的方法的名稱和描述符
• 與當(dāng)前class文件中的屬性相關(guān)的字符串， 如屬性名等
  

總結(jié)一下， 其中有這么五類： 程序中的字符串常量， 類型的全限定名， 方法和字段的名稱， 方法和字段的描述符， 屬性相關(guān)字符串。 程序中的字符串常量不用多說了， 我們經(jīng)常使用它們創(chuàng)建字符串對象， 屬性相關(guān)的字符串， 等到講到class中的屬性信息（attibute）時自會提及。 方法和字段的名稱也不用多說了 。 剩下的就是類型的全限定名，方法和字段的描述符 。 還有一點需要說明， 類型的全限定名， 方法和字段的名稱， 方法和字段的描述符， 可以是本類型中定義的， 也可能是本類中引用的其他類的。 

下面我們通過一個例子來進(jìn)行說明。 示例源碼：

package com.jg.zhang;

public class Programer extends Person {

 static String company = "CompanyA";
 
 static{
 System.out.println("staitc init");
 }
 
 
 String position;
 Computer computer;

 public Programer() {
 this.position = "engineer";
 this.computer = new Computer();
 }
 
 public void working(){
 System.out.println("coding...");
 computer.working();
 }
}

別看這個類簡單， 但是反編譯后， 它的常量池有53項之多。 在這53項常量池數(shù)據(jù)項中， 各種類型的數(shù)據(jù)項都有， 當(dāng)然也包括不少的CONSTANT_Utf8_info 。 下面只列出反編譯后常量池中的CONSTANT_Utf8_info 數(shù)據(jù)項：

#2 = Utf8    com/jg/zhang/Programer   //當(dāng)前類的全限定名
#4 = Utf8    com/jg/zhang/Person    //父類的全限定名
#5 = Utf8    company       //company字段的名稱
#6 = Utf8    Ljava/lang/String;    //company和position字段的描述符
#7 = Utf8    position      //position字段的名稱
#8 = Utf8    computer      //computer字段的名稱
#9 = Utf8    Lcom/jg/zhang/Computer;   //computer字段的描述符
#10 = Utf8    <clinit>      //類初始化方法（即靜態(tài)初始化塊）的方法名
#11 = Utf8    ()V        //working方法的描述符
#12 = Utf8    Code       //Code屬性的屬性名
#14 = Utf8    CompanyA      //程序中的常量字符串
#19 = Utf8    java/lang/System    //所引用的System類的全限定名
#21 = Utf8    out        //所引用的out字段的字段名
#22 = Utf8    Ljava/io/PrintStream;   //所引用的out字段的描述符
#24 = Utf8    staitc init      //程序中的常量字符串
#27 = Utf8    java/io/PrintStream    //所引用的PrintStream類的全限定名
#29 = Utf8    println       //所引用的println方法的方法名
#30 = Utf8    (Ljava/lang/String;)V   //所引用的println方法的描述符
#31 = Utf8    LineNumberTable     //LineNumberTable屬性的屬性名
#32 = Utf8    LocalVariableTable    //LocalVariableTable屬性的屬性名
#33 = Utf8    <init>       //當(dāng)前類的構(gòu)造方法的方法名
#41 = Utf8    com/jg/zhang/Computer   //所引用的Computer類的全限定名
#45 = Utf8    this       //局部變量this的變量名
#46 = Utf8    Lcom/jg/zhang/Programer;  //局部變量this的描述符
#47 = Utf8    working       //woking方法的方法名
#49 = Utf8    coding...      //程序中的字符串常量
#52 = Utf8    SourceFile      //SourceFile屬性的屬性名
#53 = Utf8    Programer.java     //當(dāng)前類所在的源文件的文件名

上面只列出了反編譯結(jié)果中常量池中的CONSTANT_Utf8_info數(shù)據(jù)項。 其中第三列不是javap反編譯的輸出結(jié)果， 而是我加上的注釋。 讀者可以對比上面的程序源碼來看一下， 這樣的話， 就可以清楚的看出， 源文件中的各種字符串， 是如何和存放到CONSTANT_Utf8_info中的。

這里要強調(diào)一下， 源文件中的幾乎所有可見的字符串都存放在CONSTANT_Utf8_info中， 其他類型的常量池項只不過是對CONSTANT_Utf8_info的引用。 其他常量池項， 把引用的CONSTANT_Utf8_info組合起來， 進(jìn)而可以描述更多的信息。 下面將要介紹的CONSTANT_NameAndType_info就可以驗證這個結(jié)論。

（2） CONSTANT_NameAndType類型的數(shù)據(jù)項

常量池中的一個CONSTANT_NameAndType_info數(shù)據(jù)項， 可以看做CONSTANT_NameAndType類型的一個實例 。 從這個數(shù)據(jù)項的名稱可以看出， 它描述了兩種信息，第一種信息是名稱（Name）， 第二種信息是類型（Type） 。 這里的名稱是指方法的名稱或者字段的名稱， 而Type是廣義上的類型， 它其實描述的是字段的描述符或方法的描述符。 也就是說， 如果Name部分是一個字段名稱， 那么Type部分就是相應(yīng)字段的描述符； 如果Name部分描述的是一個方法的名稱， 那么Type部分就是對應(yīng)的方法的描述符。 也就是說， 一個CONSTANT_NameAndType_info就表示了一個方法或一個字段。 

下面先看一下CONSTANT_NameAndType_info數(shù)據(jù)項的存儲格式。 既然是常量池中的一種數(shù)據(jù)項類型， 那么它的第一個字節(jié)也是tag， 它的tag值是12， 也就是說， 當(dāng)虛擬機讀到一個tag為12的常量池數(shù)據(jù)項， 就可以確定這個數(shù)據(jù)項是一個CONSTANT_NameAndType_info 。 tag值一下的兩個字節(jié)叫做name_index， 它指向常量池中的一個CONSTANT_Utf8_info， 這個CONSTANT_Utf8_info中存儲的就是方法或字段的名稱。 name_index以后的兩個字節(jié)叫做descriptor_index， 它指向常量池中的一個CONSTANT_Utf8_info， 這個CONSTANT_Utf8_info中存儲的就是方法或字段的描述符。 下圖表示它的存儲布局：

下面舉一個實例進(jìn)行說明， 實例的源碼為：

package com.jg.zhang;

public class Person {

 int age;

 int getAge(){
 return age;
 }
}

這個Person類很簡單， 只有一個字段age， 和一個方法getAge 。 將這段代碼使用javap工具反編譯之后， 常量池信息如下：

#1 = Class    #2    // com/jg/zhang/Person
 #2 = Utf8    com/jg/zhang/Person
 #3 = Class    #4    // java/lang/Object
 #4 = Utf8    java/lang/Object
 #5 = Utf8    age
 #6 = Utf8    I
 #7 = Utf8    <init>
 #8 = Utf8    ()V
 #9 = Utf8    Code
 #10 = Methodref   #3.#11   // java/lang/Object."<init>":()V
 #11 = NameAndType  #7:#8   // "<init>":()V
 #12 = Utf8    LineNumberTable
 #13 = Utf8    LocalVariableTable
 #14 = Utf8    this
 #15 = Utf8    Lcom/jg/zhang/Person;
 #16 = Utf8    getAge
 #17 = Utf8    ()I
 #18 = Fieldref   #1.#19   // com/jg/zhang/Person.age:I
 #19 = NameAndType  #5:#6   // age:I
 #20 = Utf8    SourceFile
 #21 = Utf8    Person.java

常量池一共有21項， 我們可以看到， 一共有兩個CONSTANT_NameAndType_info 數(shù)據(jù)項， 分別是第#11項和第#19項， 其中第#11項的CONSTANT_NameAndType_info又引用了常量池中的第#7項和第#8項， 被引用的這兩項都是CONSTANT_Utf8_info ， 它們中存儲的字符串常量值分別是 <init> 和 （）V。 其實他們加起來表示的就是父類Object的構(gòu)造方法。 那么這里為什么會是父類Object的構(gòu)造方法而不是本類的構(gòu)造方法呢？ 這是因為類中定義的方法如果不被引用（也就是說在當(dāng)前類中不被調(diào)用）， 那么常量池中是不會有相應(yīng)的 CONSTANT_NameAndType_info 與之對應(yīng)的， 只有引用了一個方法， 才有相應(yīng)的CONSTANT_NameAndType_info 與之對應(yīng)。 這也是為什么說CONSTANT_NameAndType_info 是方法的符號引用的一部分的原因。 （這里提到一個新的概念， 叫做方法的符號引用， 這個概念會在后面的博客中進(jìn)行講解） 可以看到， 在源碼存在兩個方法， 分別是編譯器默認(rèn)添加的構(gòu)造方法和我們自己定義的getAge方法， 因為并沒有在源碼中顯示的調(diào)用這兩個方法，所以在常量池中并不存在和這兩個方法相對應(yīng)的CONSTANT_NameAndType_info 。  之所以會存在父類Object的構(gòu)造方法對應(yīng)的CONSTANT_NameAndType_info ， 是因為子類構(gòu)造方法中會默認(rèn)調(diào)用父類的無參數(shù)構(gòu)造方法。 我們將常量中的其他信息去掉， 可以看得更直觀：

下面講解常量池第#19項的CONSTANT_NameAndType_info ， 它引用了常量池第#5項和第#6項， 這兩項也是CONSTANT_Utf8_info 項， 其中存儲的字符串分別是age和I， 其中age是源碼中字段age的字段名， I是age字段的描述符。 所以這個CONSTANT_NameAndType_info 就表示對本類中的字段age的引用。 除去常量池中的其他信息， 可以看得更直觀：

和方法相同， 只定義一個字段而不引用它（在源碼中表現(xiàn)為不訪問這個變量）， 那么在常量池中也不會存在和該字段相對應(yīng)的CONSTANT_NameAndType_info 項。這也是為什么說CONSTANT_NameAndType_info作為字段符號引用的一部分的原因。 （這里提到一個新的概念， 叫做字段的符號引用， 這個概念會在后面的博客中進(jìn)行講解） 在本例中之所以會出現(xiàn)這個CONSTANT_NameAndType_info ， 是因為在源碼的getAge方法中訪問了這個字段：

int getAge(){ 
 return age; 
} 

下面給出這兩個CONSTANT_NameAndType_info真實的內(nèi)存布局圖：

和Object構(gòu)造方法相關(guān)的CONSTANT_NameAndType_info的示意圖：

和age字段相關(guān)的CONSTANT_NameAndType_info示意圖：

這兩張圖能夠很好的反映出CONSTANT_NameAndType_info和CONSTANT_Utf8_info 這兩種常量池數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)存儲方式， 也能夠真實的反應(yīng)CONSTANT_NameAndType_info和CONSTANT_Utf8_info 的引用關(guān)系。 

總結(jié)

在本文中我們主要介紹了常量池中的兩種數(shù)據(jù)項： CONSTANT_NameAndType_info 和 CONSTANT_Utf8_info  。 其中CONSTANT_Utf8_info存儲的是源文件中的各種字符串， 而CONSTANT_NameAndType_info表述的是源文件中對一個字段或方法的符號引用的一部分（即 方法名加方法描述符， 或者是 字段名加字段描述符）。

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