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好好說說Java中的常量池之Class常量池

發表于 2018-10-23 17:04:55
前言
在Java中,常量池的概念想必很多人都聽說過。這也是面試中比較常考的題目之一。在Java有關的面試題中,一般習慣通過String的有關問題來考察面試者對于常量池的知識的理解,幾道簡單的String面試題難倒了無數的開發者。所以說,常量池是Java體系中一個非常重要的概念。
談到常量池,在Java體系中,共用三種常量池。分別是字符串常量池、Class常量池和運行時常量池。
本文是《好好說說Java中的常量池》系列的第一篇,先來介紹一下到底什么是Class常量池。
什么是Class文件
我們知道,計算機只認識0和1,所以程序員寫的代碼都需要經過編譯成0和1構成的二進制格式才能夠讓計算機運行。
為了讓java語言具有良好的跨平臺能力,Java獨具匠心的提供了一種可以在所有平臺上都能使用的一種中間代碼——字節碼(ByteCode)。
有了字節碼,無論是哪種平臺(如Windows、Linux等),只要安裝了虛擬機,都可以直接運行字節碼。
同樣,有了字節碼,也解除了Java虛擬機和Java語言之間的耦合。這話可能很多人不理解,Java虛擬機不就是運行Java語言的么?這種解耦指的是什么?
其實,目前Java虛擬機已經可以支持很多除Java語言以外的語言了,如Groovy、JRuby、Jython、Scala等。之所以可以支持,就是因為這些語言也可以被編譯成字節碼。而虛擬機并不關心字節碼是有哪種語言編譯而來的。
Java語言中負責編譯出字節碼的編譯器是一個命令是javac。
javac是收錄于JDK中的Java語言編譯器。該工具可以將后綴名為.java的源文件編譯為后綴名為.class的可以運行于Java虛擬機的字節碼。
如,我們有以下簡單的HelloWorld.java代碼
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
String s = "Hollis";
}
}
通過javac命令生成class文件:
javac HelloWorld.java
生成HelloWorld.class文件:




如何使用16進制打開class文件:使用 vim test.class ,然后在交互模式下,輸入:%!xxd即可。
可以看到,上面的文件就是Class文件,Class文件中包含了Java虛擬機指令集和符號表以及若干其他輔助信息。
要想能夠讀懂上面的字節碼,需要了解Class類文件的結構,由于這不是本文的重點,這里就不展開說明了。
讀者可以看到,HelloWorld.class文件中的前八個字母是cafe babe,這就是Class文件的魔數(Java中的”魔數”)
我們需要知道的是,在Class文件的4個字節的魔數后面的分別是4個字節的Class文件的版本號(第5、6個字節是次版本號,第7、8個字節是主版本號,我生成的Class文件的版本號是52,這時Java 8對應的版本。也就是說,這個版本的字節碼,在JDK 1.8以下的版本中無法運行)在版本號后面的,就是Class常量池入口了。
Class常量池
Class常量池可以理解為是Class文件中的資源倉庫。 Class文件中除了包含類的版本、字段、方法、接口等描述信息外,還有一項信息就是常量池(constant pool table),用于存放編譯器生成的各種字面量(Literal)和符號引用(Symbolic References)。
由于不同的Class文件中包含的常量的個數是不固定的,所以在Class文件的常量池入口處會設置兩個字節的常量池容量計數器,記錄了常量池中常量的個數。




當然,還有一種比較簡單的查看Class文件中常量池的方法,那就是通過javap命令。對于以上的HelloWorld.class,可以通過
javap -v HelloWorld.class
查看常量池內容如下:




從上圖中可以看到,反編譯后的class文件常量池中共有16個常量。而Class文件中常量計數器的數值是0011,將該16進制數字轉換成10進制的結果是17。
原因是:與Java的語言習慣不同,常量池計數器是從0開始而不是從1開始的,常量池的個數是10進制的17,這就代表了其中有16個常量,索引值范圍為1-16。
常量池中有什么
介紹完了什么是Class常量池以及如何查看常量池,那么接下來我們就要深入分析一下,Class常量池中都有哪些內容。
常量池中主要存放兩大類常量:字面量(literal)和符號引用(symbolic references)。
字面量
前面說過,運行時常量池中主要保存的是字面量和符號引用,那么到底什么字面量?
在計算機科學中,字面量(literal)是用于表達源代碼中一個固定值的表示法(notation)。幾乎所有計算機編程語言都具有對基本值的字面量表示,諸如:整數、浮點數以及字符串;而有很多也對布爾類型和字符類型的值也支持字面量表示;還有一些甚至對枚舉類型的元素以及像數組、記錄和對象等復合類型的值也支持字面量表示法。
以上是關于計算機科學中關于字面量的解釋,并不是很容易理解。說簡單點,字面量就是指由字母、數字等構成的字符串或者數值。
字面量只可以右值出現,所謂右值是指等號右邊的值,如:int a=123這里的a為左值,123為右值。在這個例子中123就是字面量。
int a = 123;String s = "hollis";
上面的代碼示例中,123和hollis都是字面量。
本文開頭的HelloWorld代碼中,Hollis就是一個字面量。
符號引用
常量池中,除了字面量以外,還有符號引用,那么到底什么是符號引用呢。
符號引用是編譯原理中的概念,是相對于直接引用來說的。主要包括了以下三類常量:
類和接口的全限定名
字段的名稱和描述符
方法的名稱和描述符
這也就可以印證前面的常量池中還包含一些com/hollis/HelloWorld、main、([Ljava/lang/String;)V等常量的原因了。
Class常量池有什么用
前面介紹了這么多,關于Class常量池是什么,怎么查看Class常量池以及Class常量池中保存了哪些東西。有一個關鍵的問題沒有講,那就是Class常量池到底有什么用。
首先,可以明確的是,Class常量池是Class文件中的資源倉庫,其中保存了各種常量。而這些常量都是開發者定義出來,需要在程序的運行期使用的。
在《深入理解Java虛擬》中有這樣的表述:
Java代碼在進行Javac編譯的時候,并不像C和C++那樣有“連接”這一步驟,而是在虛擬機加載Class文件的時候進行動態連接。也就是說,在Class文件中不會保存各個方法、字段的最終內存布局信息,因此這些字段、方法的符號引用不經過運行期轉換的話無法得到真正的內存入口地址,也就無法直接被虛擬機使用。當虛擬機運行時,需要從常量池獲得對應的符號引用,再在類創建時或運行時解析、翻譯到具體的內存地址之中。關于類的創建和動態連接的內容,在虛擬機類加載過程時再進行詳細講解。
這段話,看起來很繞,不是很容易理解。其實他的意思就是: Class是用來保存常量的一個媒介場所,并且是一個中間場所。在JVM真的運行時,需要把常量池中的常量加載到內存中。
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