Java の class ファイルを読み解く：定数プールとバイトコードを理解する

筆者はアセンブリ言語が好きです。
javaにも中間言語のようなものが無いかと調べてみるとありました。
せっかくなので中身を覗いてみます。

バイトコード生成の手順

javaをコンパイルしてclassファイルを生成します。
その後javapを使うと簡単にバイトコードが見られます。

test.java

public class test {
    
    public static void main(String[] args){
        
        int a = 10;
        int b = 20;
        int c = a + b;
        System.out.println(c);
            
    }
}

test@test-ThinkPad-X280:~/test/javatest$ nano test.java 
test@test-ThinkPad-X280:~/test/javatest$ javac test.java
test@test-ThinkPad-X280:~/test/javatest$ java test 
30
test@test-ThinkPad-X280:~/test/javatest$ javap -v test
Classfile /home/test/test/javatest/test.class
  Last modified 2025年8月23日; size 400 bytes
  SHA-256 checksum b69fb5d281787a43a8e3cd9bcf0d2e5e96e6deea9ffa7a80086f8e972eb08a71
  Compiled from "test.java"
public class test
  minor version: 0
  major version: 61
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  this_class: #19                         // test
  super_class: #2                         // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 0, methods: 2, attributes: 1
Constant pool:
   #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #4             // java/lang/Object
   #3 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
   #4 = Utf8               java/lang/Object
   #5 = Utf8               <init>
   #6 = Utf8               ()V
   #7 = Fieldref           #8.#9          // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #8 = Class              #10            // java/lang/System
   #9 = NameAndType        #11:#12        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #10 = Utf8               java/lang/System
  #11 = Utf8               out
  #12 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #13 = Methodref          #14.#15        // java/io/PrintStream.println:(I)V
  #14 = Class              #16            // java/io/PrintStream
  #15 = NameAndType        #17:#18        // println:(I)V
  #16 = Utf8               java/io/PrintStream
  #17 = Utf8               println
  #18 = Utf8               (I)V
  #19 = Class              #20            // test
  #20 = Utf8               test
  #21 = Utf8               Code
  #22 = Utf8               LineNumberTable
  #23 = Utf8               main
  #24 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #25 = Utf8               SourceFile
  #26 = Utf8               test.java
{
  public test();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) 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 3: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        10
         2: istore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        13: iload_3
        14: invokevirtual #13                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        17: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
        line 8: 3
        line 9: 6
        line 10: 10
        line 12: 17
}
SourceFile: "test.java"

定数プール

バイトコードから直接参照されている要素

   #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V
   #7 = Fieldref           #8.#9          // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #13 = Methodref          #14.#15        // java/io/PrintStream.println:(I)V

#7を組み立てる

#8 = クラス　　→ クラス名は "java/lang/System"
#9 = 名前+型　　→ フィールド名 "out", 型 "Ljava/io/PrintStream;"

   #8 = Class              #10            // java/lang/System
   #9 = NameAndType        #11:#12        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #10 = Utf8               java/lang/System
  #11 = Utf8               out
  #12 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;

#13を組み立てる

#14 = クラス　→ クラス名 "java/io/PrintStream"
#15 = 名前+型　→ メソッド名 "println", メソッド記述子 "(I)V"　

  #14 = Class              #16            // java/io/PrintStream
  #15 = NameAndType        #17:#18        // println:(I)V
  #16 = Utf8               java/io/PrintStream
  #17 = Utf8               println
  #18 = Utf8               (I)V

(I)Vの意味

括弧の中 () = 引数の型
括弧の外（右側） = 戻り値の型
→ 「intを引数に取り、戻り値は voidのメソッド」

バイトコード解釈

コンストラクタ

javaのコードに書いていなくても自動的にコンストラクタが補完される模様。

 0: aload_0
 1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
 4: return

逆コンパイルしてもコンストラクタのjavaコードは出てこなかったが多分こんな感じ。
public test() { super(); }

変数a,bの代入

 0: bipush 10         // スタックに 10
 2: istore_1          // ローカル変数1 (a) に格納
 3: bipush 20         // スタックに 20
 5: istore_2          // ローカル変数2 (b) に格納

ここまでで a=10, b=20 が確定。

変数a,bの加算

 6: iload_1           // ローカル変数1 をスタックに積む (a)
 7: iload_2           // ローカル変数2 をスタックに積む (b)
 8: iadd              // スタック上の 2 値 (a+b) を加算し積む
 9: istore_3          // ローカル変数3 (c) に格納

ここで c = a + b が計算完了。

Sysyem.out.println()の呼び出し

10: getstatic  #7   // スタックに System.out (PrintStream型オブジェクト)
13: iload_3         // スタックに c (int)
14: invokevirtual #13 // PrintStream.println(int) 呼び出し
17: return

#7 は「System.out」という static フィールドの参照情報
#13 は「PrintStream.println(int)」というメソッドの参照情報

逆コンパイル

wget https://www.benf.org/other/cfr/cfr-0.152.jar -O cfr.jar
java -jar cfr.jar test.class --outputdir ./src

/*
 * Decompiled with CFR 0.152.
 */
public class test {
    public static void main(String[] stringArray) {
        int n = 10;
        int n2 = 20;
        int n3 = n + n2;
        System.out.println(n3);
    }
}