什麼是JVM的“無關性”？

Java具有平臺無關性，也就是任何作業系統都能執行Java程式碼。之所以能實現這一點，是因為Java執行在虛擬機器之上，不同的作業系統都擁有各自的Java虛擬機器，因此Java能實現“一次編寫，處處執行”。

而JVM不僅具有平臺無關性，還具有語言無關性。
平臺無關性是指不同作業系統都有各自的JVM，而語言無關性是指Java虛擬機器能執行除Java以外的程式碼！

這聽起來非常驚人，但JVM對能執行的語言是有嚴格要求的。首先來了解下Java程式碼的執行過程。

Java原始碼首先需要使用Javac編譯器編譯成class檔案，然後啟動JVM執行class檔案，從而程式開始執行。
也就是JVM只認識class檔案，它並不管何種語言生成了class檔案，只要class檔案符合JVM的規範就能執行。
因此目前已經有Scala、JRuby、Jython等語言能夠在JVM上執行。它們有各自的語法規則，不過它們的編譯器都能將各自的原始碼編譯成符合JVM規範的class檔案，從而能夠藉助JVM執行它們。

縱觀Class檔案結構

class檔案是二進位制檔案，它的內容具有嚴格的規範，檔案中沒有任何空格，全是連續的0/1。class檔案中的所有內容被分為兩種型別：無符號數 和 表。
- 無符號數
它表示class檔案中的值，這些值沒有任何型別，但有不同的長度。根據這些值長度的不同分為：u1、u2、u4、u8，分別代表1位元組的無符號數、2位元組的無符號數、4位元組的無符號數、8位元組的無符號數。
- 表
class檔案中所有資料(即無符號數)要麼單獨存在，要麼由多個無符號陣列成二維表。即class檔案中的資料要麼是單個值，要麼是二維表。

class檔案的組織結構

1. 魔數
2. 本檔案的版本資訊
3. 常量池
4. 訪問標誌
5. 類索引
6. 父類索引
7. 介面索引集合
8. 欄位表集合
9. 方法表集合

Class檔案的構成1：魔數

class檔案的頭4個位元組稱為魔數，用來表示這個class檔案的型別。

魔數的作用就相當於檔案字尾名，只不過字尾名容易被修改，不安全，因此在class檔案中標示檔案型別比較合適。

class檔案的魔數是用16進製表示的“CAFEBABE”，非常具有浪漫主義色彩，誰說程式設計師的情商都很低！

Class檔案的構成2：版本資訊

緊接著魔數的4個位元組是版本號。它表示本class中使用的是哪個版本的JDK。

在高版本的JVM上能夠執行低版本的class檔案，但在低版本的JVM上無法執行高版本的class檔案，即使該class檔案中沒有用到任何高版本JDK的特性也無法執行！

Class檔案的構成3：常量池

1. 什麼是常量池？

緊接著版本號之後的就是常量池。常量池中存放兩種型別的常量：

• 字面值常量
  字面值常量即我們在程式中定義的字串、被final修飾的值。
• 符號引用
  符號引用就是我們定義的各種名字：
  
  1. 類和介面的全限定名
  2. 欄位的名字 和 描述符
  3. 方法的名字 和 描述符
     
     

2. 常量池的特點

• 常量池長度不固定
  常量池的大小是不固定的，因此常量池開頭放置一個u2型別的無符號數，用來儲存當前常量池的容量。JVM根據這個值就知道常量池的頭尾來。
  注：這個值是從1開始的，若為5表示池中有4個常量。
• 常量池中的常量由而為表來表示
  常量池開頭有個常量池容量計數器，接下來就全是一個個常量了，只不過常量都是由一張張二維表構成，除了記錄常量的值以外，還記錄當前常量的相關資訊。
• 常量池是class檔案的資源倉庫
• 常量池是與本class中其它部分關聯最多的部分
• 常量池是class檔案中空間佔用最大的部分之一
  
  

3. 常量池中常量的型別

剛才介紹了，常量池中的常量大體上分為：字面值常量 和 符號引用。在此基礎上，根據常量的資料型別不同，又可以被細分為14種常量型別。這14種常量型別都有各自的二維表示結構。每種常量型別的頭1個位元組都是tag，用於表示當前常量屬於14種類型中的哪一個。

以CONSTANT_Class_info常量為例，它的二維表示結構如下：
CONSTANT_Class_info表：

tag表示當前常量的型別(當前常量為CONSTANT_Class_info，因此tag的值應為7，表示一個類或介面的全限定名)；
name_index表示這個類或介面全限定名的位置。它的值表示指向常量池的第幾個常量。它會指向一個CONSTANT_Utf8_info型別的常量，它的二維表結構如下：
CONSTANT_Utf8_info表：

CONSTANT_Utf8_info表示字串常量；
tag表示當前常量的型別，這裡應該是1；
length表示這個字串的長度；
bytes為這個字串的內容(採用縮略的UTF8編碼)

問：為什麼Java中定義的類、變數名字必須小於64K？
類、介面、變數等名字都屬於符號引用，它們都儲存在常量池中。而不管哪種符號引用，它們的名字都由CONSTANT_Utf8_info型別的常量表示，這種型別的常量使用u2儲存字串的長度。由於2位元組最多能表示65535個數，因此這些名字的最大長度最多隻能是64K。

問：什麼是UTF-8編碼？什麼是縮略UTF-8編碼？
前者每個字元使用3個位元組表示，而後者把128個ASKII碼用1位元組表示，某些字元用2位元組表示，某些字元用3位元組表示。

Class檔案的構成4：訪問標誌

在常量池之後是2位元組的訪問標誌。訪問標誌是用來表示這個class檔案是類還是介面、是否被public修飾、是否被abstract修飾、是否被final修飾等。
由於這些標誌都由是/否表示，因此可以用0/1表示。
訪問標誌為2位元組，可以表示16位標誌，但JVM目前只定義了8種，未定義的直接寫0.

Class檔案的構成5：類索引、父類索引、介面索引集合

類索引、父類索引、介面索引集合是用來表示當前class檔案所表示類的名字、父類名字、介面們的名字。
它們按照順序依次排列，類索引和父類索引各自使用一個u2型別的無符號常量，這個常量指向CONSTANT_Class_info型別的常量，該常量的bytes欄位記錄了本類、父類的全限定名。
由於一個類的介面可能有好多個，因此需要用一個集合來表示介面索引，它在類索引和父類索引之後。這個集合頭兩個位元組表示介面索引集合的長度，接下來就是介面的名字索引。

Class檔案的構成6：欄位表的集合

1. 什麼是欄位表集合？

接下來是欄位表的集合。欄位表集合用於儲存本類所涉及到的成員變數，包括例項變數和類變數，但不包括方法中的區域性變數。
每一個欄位表只表示一個成員變數，本類中所有的成員變數構成了欄位表集合。

2. 欄位表結構的定義

• access_flags
  欄位的訪問標誌。在Java中，每個成員變數都有一系列的修飾符，和上述class檔案的訪問標誌的作用一樣，只不過成員變數的訪問標誌與類的訪問標誌稍有區別。
• name_index
  本欄位名字的索引。指向一個CONSTANT_Class_info型別的常量，這裡面儲存了本欄位的名字等資訊。
• descriptor_index
  描述符。用於描述本欄位在Java中的資料型別等資訊(下面詳細介紹)
• attributes_count
  屬性表集合的長度。
• attributes
  屬性表集合。到descriptor_index為止是欄位表的固定資訊，光有上述資訊可能無法完整地描述一個欄位，因此用屬性表集合來存放額外的資訊，比如一個欄位的值。(下面會詳細介紹)

3. 什麼是描述符？

成員變數(包括靜態成員變數和例項變數) 和 方法都有各自的描述符。
對於欄位而言，描述符用於描述欄位的資料型別；
對於方法而言，描述符用於描述欄位的資料型別、引數列表、返回值。

在描述符中，基本資料型別用大寫字母表示，物件型別用“L物件型別的全限定名”表示，陣列用“[陣列型別的全限定名”表示。
描述方法時，將引數根據上述規則放在()中，()右側按照上述方法放置返回值。而且，引數之間無需任何符號。

4. 欄位表集合的注意點

1. 一個class檔案的欄位表集合中不能出現從父類/介面繼承而來欄位；
2. 一個class檔案的欄位表集合中可能會出現程式猿沒有定義的欄位
   如編譯器會自動地在內部類的class檔案的欄位表集合中新增外部類物件的成員變數，供內部類訪問外部類。
3. Java中只要兩個欄位名字相同就無法通過編譯。但在JVM規範中，允許兩個欄位的名字相同但描述符不同的情況，並且認為它們是兩個不同的欄位。
   
   

Class檔案的構成7：方法表的集合

在class檔案中，所有的方法以二維表的形式儲存，每張表來表示一個函式，一個類中的所有方法構成方法表的集合。
方法表的結構和欄位表的結構一致，只不過訪問標誌和屬性表集合的可選項有所不同。

方法表的屬性表集合中有一張Code屬性表，用於儲存當前方法經編譯器編譯過後的位元組碼指令。

方法表集合的注意點

1. 如果本class沒有重寫父類的方法，那麼本class檔案的方法表集合中是不會出現父類/父介面的方法表；
2. 本class的方法表集合可能出現程式猿沒有定義的方法
   編譯器在編譯時會在class檔案的方法表集合中加入類構造器和例項構造器。
3. 過載一個方法需要有相同的簡單名稱和不同的特徵簽名。JVM的特徵簽名和Java的特徵簽名有所不同：
   
   • Java特徵簽名：方法引數在常量池中的欄位符號引用的集合
   • JVM特徵簽名：方法引數＋返回值

Class檔案的構成8：屬性表的集合