符号引用到底是什么?
它和直接引用有什么关系?
它是怎么存储的?
什么是符号引用
先看Class文件里的“符号引用”。
考虑这样一个Java类：
public class X {
public void foo() {
bar();
}
public void bar() { }
}
它编译出来的Class文件的文本表现形式如下：
Classfile /private/tmp/X.class
Last modified Jun 13, 2015; size 372 bytes
MD5 checksum 8abb9cbb66266e8bc3f5eeb35c3cc4dd
Compiled from "X.java"
public class X
SourceFile: "X.java"
minor version: 0
major version: 51
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #4.#16 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Methodref #3.#17 // X.bar:()V
#3 = Class #18 // X
#4 = Class #19 // java/lang/Object
#5 = Utf8 <init>
#6 = Utf8 ()V
#7 = Utf8 Code
#8 = Utf8 LineNumberTable
#9 = Utf8 LocalVariableTable
#10 = Utf8 this
#11 = Utf8 LX;
#12 = Utf8 foo
#13 = Utf8 bar
#14 = Utf8 SourceFile
#15 = Utf8 X.java
#16 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V
#17 = NameAndType #13:#6 // bar:()V
#18 = Utf8 X
#19 = Utf8 java/lang/Object
{
public X();
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 1: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LX;
public void foo();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokevirtual #2 // Method bar:()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
line 4: 4
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LX;
public void bar();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=0, locals=1, args_size=1
0: return
LineNumberTable:
line 6: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 1 0 this LX;
}
可以看到Class文件里有一段叫做“常量池”，里面存储的该Class文件里的大部分常量的内容。
来考察foo()方法里的一条字节码指令：
1: invokevirtual #2 // Method bar:()V
这在Class文件中的实际编码为：
[B6] [00 02]
其中0xB6是invokevirtual指令的操作码（opcode），后面的0x0002是该指令的操作数（operand），用于指定要调用的目标方法。
这个参数是Class文件里的常量池的下标。那么去找下标为2的常量池项，是：
#2 = Methodref #3.#17 // X.bar:()V
这在Class文件中的实际编码为（以十六进制表示，Class文件里使用高位在前字节序（big-endian））：
[0A] [00 03] [00 11]
其中0x0A是CONSTANT_Methodref_info的tag，后面的0x0003和0x0011是该常量池项的两个部分：class_index和name_and_type_index。这两部分分别都是常量池下标，引用着另外两个常量池项。顺着这条线索把能传递引用到的常量池项都找出来，会看到（按深度优先顺序排列）：
#2 = Methodref #3.#17 // X.bar:()V
#3 = Class #18 // X
#18 = Utf8 X
#17 = NameAndType #13:#6 // bar:()V
#13 = Utf8 bar
#6 = Utf8 ()V
把引用关系画成一棵树的话：
#2 Methodref X.bar:()V
/ \
#3 Class X #17 NameAndType bar:()V
| / \
#18 Utf8 X #13 Utf8 bar #6 Utf8 ()V
标记为Utf8的常量池项在Class文件中实际为CONSTANT_Utf8_info，是以略微修改过的UTF-8编码的字符串文本。这样就清楚了对不对？由此可以看出，Class文件中的invokevirtual指令的操作数经过几层间接之后，最后都是由字符串来表示的。这就是Class文件里的“符号引用”的实态：带有类型（tag） / 结构（符号间引用层次）的字符串。
什么是直接引用
然后再看JVM里的“直接引用”的样子。
这里就不拿HotSpot VM来举例了，因为它的实现略复杂。让我们看个更简单的实现，Sun的元祖JVM——Sun JDK 1.0.2的32位x86上的做法。
请先参考另一个回答里讲到Sun Classic VM的部分：为什么bs虚函数表的地址（int）(&bs)与虚函数地址（int）(int)(&bs) 不是同一个？ - RednaxelaFX 的回答
Sun Classic VM:（以32位Sun JDK 1.0.2在x86上为例）
HObject ClassObject
-4 [ hdr ]
--> +0 [ obj ] --> +0 [ ... fields ... ]
+4 [ methods ] \
\ methodtable ClassClass
> +0 [ classdescriptor ] --> +0 [ ... ]
+4 [ vtable[0] ] methodblock
+8 [ vtable[1] ] --> +0 [ ... ]
... [ vtable... ]
（请留心阅读上面链接里关于虚方法表与JVM的部分。Sun的元祖JVM也是用虚方法表的喔。）元祖JVM在做类加载的时候会把Class文件的各个部分分别解析（parse）为JVM的内部数据结构。例如说类的元数据记录在ClassClass结构体里，每个方法的元数据记录在各自的methodblock结构体里，等等。
在刚加载好一个类的时候，Class文件里的常量池和每个方法的字节码（Code属性）会被基本原样的拷贝到内存里先放着，也就是说仍然处于使用“符号引用”的状态；直到真的要被使用到的时候才会被解析（resolve）为直接引用。
假定我们要第一次执行到foo()方法里调用bar()方法的那条invokevirtual指令了。此时JVM会发现该指令尚未被解析（resolve），所以会先去解析一下。通过其操作数所记录的常量池下标0x0002，找到常量池项#2，发现该常量池项也尚未被解析（resolve），于是进一步去解析一下。
通过Methodref所记录的class_index找到类名，进一步找到被调用方法的类的ClassClass结构体；然后通过name_and_type_index找到方法名和方法描述符，到ClassClass结构体上记录的方法列表里找到匹配的那个methodblock；最终把找到的methodblock的指针写回到常量池项#2里。
也就是说，原本常量池项#2在类加载后的运行时常量池里的内容跟Class文件里的一致，是：
[00 03] [00 11]
（tag被放到了别的地方；小细节：刚加载进来的时候数据仍然是按高位在前字节序存储的）
而在解析后，假设找到的methodblock*是0x45762300，那么常量池项#2的内容会变为：
[00 23 76 45]
（解析后字节序使用x86原生使用的低位在前字节序（little-endian），为了后续使用方便）这样，以后再查询到常量池项#2时，里面就不再是一个符号引用，而是一个能直接找到Java方法元数据的methodblock了。这里的methodblock就是一个“直接引用”。
解析好常量池项#2之后回到invokevirtual指令的解析。回顾一下，在解析前那条指令的内容是：
[B6] [00 02]
而在解析后，这块代码被改写为：
[D6] [06] [01]
其中opcode部分从invokevirtual改写为invokevirtual_quick，以表示该指令已经解析完毕。原本存储操作数的2字节空间现在分别存了2个1字节信息，第一个是虚方法表的下标（vtable index），第二个是方法的参数个数。这两项信息都由前面解析常量池项#2得到的methodblock*读取而来。
也就是：
invokevirtual_quick vtable_index=6, args_size=1
这里例子里，类X对应在JVM里的虚方法表会是这个样子的：
[0]: java.lang.Object.hashCode:()I
[1]: java.lang.Object.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
[2]: java.lang.Object.clone:()Ljava/lang/Object;
[3]: java.lang.Object.toString:()Ljava/lang/String;
[4]: java.lang.Object.finalize:()V
[5]: X.foo:()V
[6]: X.bar:()V
所以JVM在执行invokevirtual_quick要调用X.bar()时，只要顺着对象引用查找到虚方法表，然后从中取出第6项的methodblock*，就可以找到实际应该调用的目标然后调用过去了。
假如类X还有子类Y，并且Y覆写了bar()方法，那么类Y的虚方法表就会像这样：
[0]: java.lang.Object.hashCode:()I
[1]: java.lang.Object.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
[2]: java.lang.Object.clone:()Ljava/lang/Object;
[3]: java.lang.Object.toString:()Ljava/lang/String;
[4]: java.lang.Object.finalize:()V
[5]: X.foo:()V
[6]: Y.bar:()V
于是通过vtable_index=6就可以找到类Y所实现的bar()方法。
所以说在解析/改写后的invokevirtual_quick指令里，虚方法表下标（vtable index）也是一个“直接引用”的表现。
关于这种“_quick”指令的设计，可以参考远古的JVM规范第1版的第9章。这里有一份拷贝：http://www.cs.miami.edu/~burt/reference/java/language_vm_specification.pdf
在现在的HotSpot VM里，围绕常量池、invokevirtual的解析（再次强调是resolve）的具体实现方式跟元祖JVM不一样，但是大体的思路还是相通的。
HotSpot VM的运行时常量池有ConstantPool和ConstantPoolCache两部分，有些类型的常量池项会直接在ConstantPool里解析，另一些会把解析的结果放到ConstantPoolCache里。以前发过一帖有简易的图解例子，可以参考：请问，jvm实现读取class文件常量池信息是怎样呢？
结论
由此可见，符号引用通常是设计字符串的——用文本形式来表示引用关系。而直接引用是JVM（或其它运行时环境）所能直接使用的形式。它既可以表现为直接指针（如上面常量池项#2解析为methodblock*），也可能是其它形式（例如invokevirtual_quick指令里的vtable index）。
关键点不在于形式是否为“直接指针”，而是在于JVM是否能“直接使用”这种形式的数据。
