jvm和字节码

代码审计
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jvm以及字节码介绍

jvm介绍

在介绍类加载器（ClassLoader）和其机制之前先介绍JVM，JVM 大致可以划分为三个部分，分别是类加载器（Class Loader）、运行时数据区（Runtime Data Areas）和执行引擎（Excution Engine）。

三个部分具体又是干什么的，可以通过下面这幅图来了解

Java程序在运行前需要先编译成class文件，Java类初始化的时候会调用java.lang.ClassLoader加载类字节码，ClassLoader会调用JVM的native方法（defineClass0/1/2）来定义一个java.lang.Class实例，通过上述解释可以知道类的加载就是由java类加载器实现的。

字节码

编写一个类文件测试一下，以最简单的helloworld为例子

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package org.example;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}

运行之后在target/classes/org/example目录下发现了class文件，里面的代码和源码为什么会一样？是因为IDEA默认使用Fernflower（反编译工具）将字节码文件（.class，java源代码编译后的文件）反编译为我们看的懂的java代码，通过view->show bytecode可以看到字节码

可以用jclasslib插件

字节码并不是机器码，操作系统无法直接识别，需要在操作系统上安装不同版本的 JVM 来识别。

通常情况下，我们只需要安装不同版本的 JDK（Java Development Kit，Java 开发工具包）就行了，它里面包含了 JRE（Java Runtime Environment，Java 运行时环境），而 JRE 又包含了 JVM。

javap是java内置的反编译工具，用javap -v -p Main.class看一下刚才的class文件

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Classfile /Users/apple/Documents/javacode/classloader/target/classes/org/example/Main.class
  Last modified 2025-3-20; size 539 bytes
  MD5 checksum a848fbf47800b5f4f1d56bc08b626ee5
  Compiled from "Main.java"
public class org.example.Main
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#20         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #21.#22        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #23            // hello world
   #4 = Methodref          #24.#25        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #26            // org/example/Main
   #6 = Class              #27            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lorg/example/Main;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Utf8               args
  #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               SourceFile
  #19 = Utf8               Main.java
  #20 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #21 = Class              #28            // java/lang/System
  #22 = NameAndType        #29:#30        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #23 = Utf8               hello world
  #24 = Class              #31            // java/io/PrintStream
  #25 = NameAndType        #32:#33        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #26 = Utf8               org/example/Main
  #27 = Utf8               java/lang/Object
  #28 = Utf8               java/lang/System
  #29 = Utf8               out
  #30 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #31 = Utf8               java/io/PrintStream
  #32 = Utf8               println
  #33 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public org.example.Main();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lorg/example/Main;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String hello world
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
        line 8: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "Main.java"

看到上面Code：

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0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc           #3                  // String hello world
5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return

字节码指令序列通常由多条指令组成，每条指令由一个操作码和若干个操作数构成。

  • 操作码：一个字节大小的指令，用于表示具体的操作。
  • 操作数：跟随操作码，用于提供额外信息。

这段字节码序列的意思是调用 System.out.println 方法打印”Hello World”字符串。下面是详细的解释：

①、0: getstatic #2 <java/lang/System.out>：

  • 操作码：getstatic
  • 操作数：#2
  • 描述：这条指令的作用是获取静态字段，这里获取的是java.lang.System类的out静态字段，它是一个PrintStream类型的输出流。#2 是一个指向常量池的索引，后面在讲类文件结构时会讲到。

②、3: ldc #3 <Hello World>：

  • 操作码：ldc
  • 操作数：#3
  • 描述：这条指令的作用是从常量池中加载一个常量值（字符串”Hello World”）到操作数栈顶。#3 是一个指向常量池的索引，常量池里存储了字符串”Hello World”的引用。

③、5: invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>：

  • 操作码：invokevirtual
  • 操作数：#4
  • 描述：这条指令的作用是调用方法。这里调用的是PrintStream类的println方法，用来打印字符串。#4 是一个指向常量池的索引，常量池里存储了java/io/PrintStream.println方法的引用信息。

④、8: return：

  • 操作码：return
  • 描述：这条指令的作用是从当前方法返回。

上面的 getstatic、ldc、invokevirtual、return 等就是 字节码指令的操作码。

可以使用 hexdump，一个在 Unix 和 Linux 系统中常用的工具，用于以十六进制的形式显示文件的内容，看一下字节码的二进制内容。

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hexdump -C Main.class
00000000  ca fe ba be 00 00 00 34  00 22 0a 00 06 00 14 09  |�...4."......|
00000010  00 15 00 16 08 00 17 0a  00 18 00 19 07 00 1a 07  |................|
00000020  00 1b 01 00 06 3c 69 6e  69 74 3e 01 00 03 28 29  |.....<init>...()|
00000030  56 01 00 04 43 6f 64 65  01 00 0f 4c 69 6e 65 4e  |V...Code...LineN|
00000040  75 6d 62 65 72 54 61 62  6c 65 01 00 12 4c 6f 63  |umberTable...Loc|
00000050  61 6c 56 61 72 69 61 62  6c 65 54 61 62 6c 65 01  |alVariableTable.|
00000060  00 04 74 68 69 73 01 00  12 4c 6f 72 67 2f 65 78  |..this...Lorg/ex|
00000070  61 6d 70 6c 65 2f 4d 61  69 6e 3b 01 00 04 6d 61  |ample/Main;...ma|
00000080  69 6e 01 00 16 28 5b 4c  6a 61 76 61 2f 6c 61 6e  |in...([Ljava/lan|
00000090  67 2f 53 74 72 69 6e 67  3b 29 56 01 00 04 61 72  |g/String;)V...ar|
000000a0  67 73 01 00 13 5b 4c 6a  61 76 61 2f 6c 61 6e 67  |gs...[Ljava/lang|
000000b0  2f 53 74 72 69 6e 67 3b  01 00 0a 53 6f 75 72 63  |/String;...Sourc|
000000c0  65 46 69 6c 65 01 00 09  4d 61 69 6e 2e 6a 61 76  |eFile...Main.jav|
000000d0  61 0c 00 07 00 08 07 00  1c 0c 00 1d 00 1e 01 00  |a...............|
000000e0  0b 68 65 6c 6c 6f 20 77  6f 72 6c 64 07 00 1f 0c  |.hello world....|
000000f0  00 20 00 21 01 00 10 6f  72 67 2f 65 78 61 6d 70  |. .!...org/examp|
00000100  6c 65 2f 4d 61 69 6e 01  00 10 6a 61 76 61 2f 6c  |le/Main...java/l|
00000110  61 6e 67 2f 4f 62 6a 65  63 74 01 00 10 6a 61 76  |ang/Object...jav|
00000120  61 2f 6c 61 6e 67 2f 53  79 73 74 65 6d 01 00 03  |a/lang/System...|
00000130  6f 75 74 01 00 15 4c 6a  61 76 61 2f 69 6f 2f 50  |out...Ljava/io/P|
00000140  72 69 6e 74 53 74 72 65  61 6d 3b 01 00 13 6a 61  |rintStream;...ja|
00000150  76 61 2f 69 6f 2f 50 72  69 6e 74 53 74 72 65 61  |va/io/PrintStrea|
00000160  6d 01 00 07 70 72 69 6e  74 6c 6e 01 00 15 28 4c  |m...println...(L|
00000170  6a 61 76 61 2f 6c 61 6e  67 2f 53 74 72 69 6e 67  |java/lang/String|
00000180  3b 29 56 00 21 00 05 00  06 00 00 00 00 00 02 00  |;)V.!...........|
00000190  01 00 07 00 08 00 01 00  09 00 00 00 2f 00 01 00  |............/...|
000001a0  01 00 00 00 05 2a b7 00  01 b1 00 00 00 02 00 0a  |.....*........|
000001b0  00 00 00 06 00 01 00 00  00 05 00 0b 00 00 00 0c  |................|
000001c0  00 01 00 00 00 05 00 0c  00 0d 00 00 00 09 00 0e  |................|
000001d0  00 0f 00 01 00 09 00 00  00 37 00 02 00 01 00 00  |.........7......|
000001e0  00 09 b2 00 02 12 03 b6  00 04 b1 00 00 00 02 00  |.............|
000001f0  0a 00 00 00 0a 00 02 00  00 00 07 00 08 00 08 00  |................|
00000200  0b 00 00 00 0c 00 01 00  00 00 09 00 10 00 11 00  |................|
00000210  00 00 01 00 12 00 00 00  02 00 13                 |...........|
0000021b

ca fe ba be就是.class,字节码的二进制内容对应为这里

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b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1

注意：这里是二进制文件的 16 进制表示，也就是 hex，一般分析二进制文件都是以 hex 进行分析。字节码指令和二进制之间的对应关系，以及对应的语义如下所示：

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0xb2   getstatic       获取静态字段的值
0x12   ldc             常量池中的常量值入栈
0xb6   invokevirtual   运行时方法绑定调用方法
0xb1   return          void 方法返回

JVM 就是靠解析这些字节码指令来完成程序执行的。常见的执行方式有两种，一种是解释执行，对字节码逐条解释执行；一种是 JIT，也就是即时编译，它会在运行时将热点代码优化并缓存起来，下次再执行的时候直接使用缓存起来的机器码，而不需要再次解释执行。

这样就可以提高程序的执行效率。

注意，当类加载器完成字节码数据加载任务后，JVM 划分了专门的内存区域来装载这些字节码数据以及运行时中间数据。