常量池中各數據項類型詳解
關於常量池的大概內容， 已經在 深入理解Java Class文件格式（一） 中講解過了， 這篇文章中還介紹了常量池中的11種數據類型。 本文的任務是詳細講解這11種數據類型， 深度剖析源文件中的各種信息是以什麼方式存放在常量池中的。
我們知道， 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， 是因爲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， 本着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誌值（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值爲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值爲1， 那麼就說明這個數據項是一個CONSTANT_Utf8類型的數據項。 緊挨着tag值的兩個字節是存儲的字符串的長度length， 剩下的字節就存儲着字符串。 所以， 它的格式是這樣的：
其中tag佔一個字節， length佔2個字節， bytes代表存儲的字符串， 佔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， 這就是上篇文章中提及的"特殊字符串"， 不熟悉的同學可以先讀一下上篇文章 深入理解Java Class文件格式（二） 。 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， 而是我加上的註釋。 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。
這裏要強調一下， 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） 。 這裏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爲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。 下圖表示它的存儲佈局：
下面舉一個實例進行說明， 實例的源碼爲：
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。 那麼這裏爲什麼會是父類Object的構造方法而不是本類的構造方法呢？ 這是因爲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， 纔有相應的CONSTANT_NameAndType_info 與之對應。 這也是爲什麼說CONSTANT_NameAndType_info 是方法的符號引用的一部分的原因。 （這裏提到一個新的概念， 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， 因爲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 ， 是因爲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（在源碼中表現爲不訪問這個變量）， 那麼在常量池中也不會存在和該字段相對應的CONSTANT_NameAndType_info 項。這也是爲什麼說CONSTANT_NameAndType_info作爲字段符號引用的一部分的原因。 （這裏提到一個新的概念， 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 ， 是因爲在源碼的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真實的內存佈局圖：
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 的引用關係。
總結
本篇博客就到此爲止， 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）。在下一篇博客中， 繼續講解常量池中的其他類型的數據項 。