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Java class文件格式之常量池_動力節點Java學院整理

編輯：關於JAVA

常量池中各數據項類型詳解

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

（1） CONSTANT_Utf8_info

一個CONSTANT_Utf8_info是一個CONSTANT_Utf8類型的常量池數據項，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數據項的存儲格式。在前面的文章中，我們提到，常量池中數據項的類型由一個整型的標志值（tag）決定，所以所有常量池類型的info中都必須有一個tag信息，並且這個tag值位於數據項的第一個字節上。一個11中常量池數據類型，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據項，首先去讀這個數據項的第一個字節的tag值，如果這個tag值為1，那麼就說明這個數據項是一個CONSTANT_Utf8類型的數據項。緊挨著tag值的兩個字節是存儲的字符串的長度length，剩下的字節就存儲著字符串。所以，它的格式是這樣的：

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

現在我們知道了CONSTANT_Utf8_info數據項的存儲形式，那麼CONSTANT_Utf8_info數據項都存儲了什麼字符串呢？ 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 常量池所在當前類（包括接口和枚舉）的全限定名 常量池所在當前類的直接父類的全限定名 常量池所在當前類型所實現或繼承的所有接口的全限定名 常量池所在當前類型中所定義的字段的名稱和描述符 常量池所在當前類型中所定義的方法的名稱和描述符 由當前類所引用的類型的全限定名 由當前類所引用的其他類中的字段的名稱和描述符 由當前類所引用的其他類中的方法的名稱和描述符 與當前class文件中的屬性相關的字符串，如屬性名等

總結一下，其中有這麼五類：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，屬性相關字符串。程序中的字符串常量不用多說了，我們經常使用它們創建字符串對象，屬性相關的字符串，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，但是反編譯後，它的常量池有53項之多。在這53項常量池數據項中，各種類型的數據項都有，當然也包括不少的CONSTANT_Utf8_info 。下面只列出反編譯後常量池中的CONSTANT_Utf8_info 數據項：

#2 = Utf8    com/jg/zhang/Programer   //當前類的全限定名
#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>       //當前類的構造方法的方法名
#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     //當前類所在的源文件的文件名

上面只列出了反編譯結果中常量池中的CONSTANT_Utf8_info數據項。其中第三列不是javap反編譯的輸出結果，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。

這裡要強調一下，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就可以驗證這個結論。

（2） CONSTANT_NameAndType類型的數據項

常量池中的一個CONSTANT_NameAndType_info數據項，可以看做CONSTANT_NameAndType類型的一個實例。從這個數據項的名稱可以看出，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）。這裡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，那麼Type部分就是相應字段的描述符；如果Name部分描述的是一個方法的名稱，那麼Type部分就是對應的方法的描述符。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數據項的存儲格式。既然是常量池中的一種數據項類型，那麼它的第一個字節也是tag，它的tag值是12，也就是說，當虛擬機讀到一個tag為12的常量池數據項，就可以確定這個數據項是一個CONSTANT_NameAndType_info 。 tag值一下的兩個字節叫做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以後的兩個字節叫做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工具反編譯之後，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 數據項，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的構造方法。那麼這裡為什麼會是父類Object的構造方法而不是本類的構造方法呢？這是因為類中定義的方法如果不被引用（也就是說在當前類中不被調用），那麼常量池中是不會有相應的 CONSTANT_NameAndType_info 與之對應的，只有引用了一個方法，才有相應的CONSTANT_NameAndType_info 與之對應。這也是為什麼說CONSTANT_NameAndType_info 是方法的符號引用的一部分的原因。（這裡提到一個新的概念，叫做方法的符號引用，這個概念會在後面的博客中進行講解）可以看到，在源碼存在兩個方法，分別是編譯器默認添加的構造方法和我們自己定義的getAge方法，因為並沒有在源碼中顯示的調用這兩個方法，所以在常量池中並不存在和這兩個方法相對應的CONSTANT_NameAndType_info 。之所以會存在父類Object的構造方法對應的CONSTANT_NameAndType_info ，是因為子類構造方法中會默認調用父類的無參數構造方法。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（在源碼中表現為不訪問這個變量），那麼在常量池中也不會存在和該字段相對應的CONSTANT_NameAndType_info 項。這也是為什麼說CONSTANT_NameAndType_info作為字段符號引用的一部分的原因。（這裡提到一個新的概念，叫做字段的符號引用，這個概念會在後面的博客中進行講解）在本例中之所以會出現這個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真實的內存布局圖：

和Object構造方法相關的CONSTANT_NameAndType_info的示意圖：

和age字段相關的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 這兩種常量池數據項的數據存儲方式，也能夠真實的反應CONSTANT_NameAndType_info和CONSTANT_Utf8_info 的引用關系。

總結

在本文中我們主要介紹了常量池中的兩種數據項： 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）。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持。