Class文件的結(jié)構(gòu)

Class文件是一組以8位字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進(jìn)制流，各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目嚴(yán)格按照順序緊湊地排列在Class文件之中，中間沒(méi)有添加任何分隔符，這使得整個(gè)Class文件中存儲(chǔ)的內(nèi)容幾乎全部是程序運(yùn)行的必要數(shù)據(jù)，沒(méi)有空隙存在。當(dāng)遇到需要占用8位字節(jié)以上空間地?cái)?shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，則會(huì)按照高位在前的方式分割成若干個(gè)8位字節(jié)進(jìn)行存儲(chǔ)。

每一個(gè) Class 文件對(duì)應(yīng)于一個(gè)如下所示的 ClassFile 結(jié)構(gòu)體。

ClassFile{u4magic;u2minor_version;u2major_version;u2constant_pool_count;cp_infoconstant_pool[constant_pool_count-1];u2access_flags;u2this_class;u2super_class;u2interfaces_count;u2interfaces[interfaces_count];u2fields_count;field_infofields[fields_count];u2methods_count;method_infomethods[methods_count];u2attributes_count;attribute_infoattributes[attributes_count];}

這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，類似C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體。這個(gè)結(jié)構(gòu)體中只有兩種數(shù)據(jù)類型：無(wú)符號(hào)數(shù)和表，后面的解析都要以這兩種數(shù)據(jù)類型為基礎(chǔ)，所以這里要先介紹這兩個(gè)概念。

無(wú)符號(hào)數(shù)屬于基本的數(shù)據(jù)類型，以u(píng)1，u2，u4，u8來(lái)分別代表1個(gè)字節(jié)，2個(gè)字節(jié)，4個(gè)字節(jié)和8個(gè)字節(jié)的無(wú)符號(hào)數(shù)，無(wú)符號(hào)數(shù)可以用來(lái)描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或者按照UTF-8編碼構(gòu)成字符串值。

表是由多個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，所有表都習(xí)慣性地以“_info”結(jié)尾。表用于描述有層次關(guān)系的復(fù)合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，整個(gè)Class文件本質(zhì)就是一張表。

下面是我的案例代碼，本章將以此代碼生成的字節(jié)碼文件作為例子來(lái)分析。

publicclassMyTest2{? ? String str ="Welcome";privateintx =5;publicstaticIntegerin=10;publicstaticvoidmain(String[] args){? ? ? ? MyTest2 myTest2 =newMyTest2();? ? ? ? myTest2.setX(8);in=20;? ? }publicvoidsetX(intx){this.x = x;? ? }}

對(duì)應(yīng)生成的字節(jié)碼文件格式如下：（數(shù)據(jù)內(nèi)容較多，只是截了部分）

上面的數(shù)字是以16進(jìn)制表示的。我們可以按照之前的結(jié)構(gòu)一項(xiàng)項(xiàng)去解讀它。

Class文件解析

magic

魔數(shù)，u4類型的數(shù)據(jù)，占4個(gè)字節(jié)。魔數(shù)的唯一作用是確定這個(gè)文件是否為一個(gè)能被虛擬機(jī)所接受的 Class 文件。魔數(shù)值固定為?0xCAFEBABE?（咖啡寶貝），不會(huì)改變。

minor_version、major_version

緊接著魔數(shù)之后的4個(gè)字節(jié)為Java版本信息：第5和第6個(gè)字節(jié)是次版本號(hào)（minor_version），第7和第8個(gè)字節(jié)是主版本號(hào)（major_version）。

就看當(dāng)前這個(gè)字節(jié)碼，次版本號(hào)是0×0000=0，主版本號(hào)是0×0034=52。我本地機(jī)器用的是JDK1.8，所以可生成的Class文件主版本號(hào)最大值為52.0。

下面給出了Java各個(gè)主版本號(hào)，以供參考。

constant_pool_count

常量池計(jì)數(shù)器，u2類型的數(shù)據(jù)。它是常量池的入口，表示緊跟著它后面的常量池的元素個(gè)數(shù)。算一下，0x002F=47，即常量池里的元素有47個(gè)。這里我用jdk的內(nèi)置工具javap，反編譯一下，可以輸出常量池的信息以及元素個(gè)數(shù)。執(zhí)行命令：javap -verbose。輸出結(jié)果如下：

Constant pool:#1= Methodref#10.#34// java/lang/Object."<init>":()V#2=String#35// Welcome#3= Fieldref#5.#36// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.str:Ljava/lang/String;#4= Fieldref#5.#37// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.x:I#5=Class#38// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2#6= Methodref#5.#34// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2."<init>":()V#7= Methodref#5.#39// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.setX:(I)V#8= Methodref#40.#41// java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;#9= Fieldref#5.#42// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.in:Ljava/lang/Integer;#10=Class#43// java/lang/Object#11= Utf8? ? ? ? ? ? ? str#12= Utf8? ? ? ? ? ? ? Ljava/lang/String;#13= Utf8? ? ? ? ? ? ? x#14= Utf8? ? ? ? ? ? ? I#15= Utf8in#16= Utf8? ? ? ? ? ? ? Ljava/lang/Integer;#17= Utf8? ? ? ? ? ? ? #18= Utf8? ? ? ? ? ? ? ()V#19= Utf8? ? ? ? ? ? ? Code#20= Utf8? ? ? ? ? ? ? LineNumberTable#21= Utf8? ? ? ? ? ? ? LocalVariableTable#22= Utf8? ? ? ? ? ? ? this#23= Utf8? ? ? ? ? ? ? Lcom/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2;#24= Utf8? ? ? ? ? ? ? main#25= Utf8? ? ? ? ? ? ? ([Ljava/lang/String;)V#26= Utf8? ? ? ? ? ? ? args#27= Utf8? ? ? ? ? ? ? [Ljava/lang/String;#28= Utf8? ? ? ? ? ? ? myTest2#29= Utf8? ? ? ? ? ? ? setX#30= Utf8? ? ? ? ? ? ? (I)V#31= Utf8? ? ? ? ? ? ? #32= Utf8? ? ? ? ? ? ? SourceFile#33= Utf8? ? ? ? ? ? ? MyTest2.java#34= NameAndType#17:#18// "<init>":()V#35= Utf8? ? ? ? ? ? ? Welcome#36= NameAndType#11:#12// str:Ljava/lang/String;#37= NameAndType#13:#14// x:I#38= Utf8? ? ? ? ? ? ? com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2#39= NameAndType#29:#30// setX:(I)V#40=Class#44// java/lang/Integer#41= NameAndType#45:#46// valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;#42= NameAndType#15:#16// in:Ljava/lang/Integer;#43= Utf8? ? ? ? ? ? ? java/lang/Object#44= Utf8? ? ? ? ? ? ? java/lang/Integer#45= Utf8? ? ? ? ? ? ? valueOf#46= Utf8? ? ? ? ? ? ? (I)Ljava/lang/Integer;

可是，我們得到的常量池里的元素個(gè)數(shù)是46。我們看常量池第一個(gè)元素，它的索引是從1開(kāi)始的。所以索引值范圍是1~46。設(shè)計(jì)者將第0項(xiàng)常量空出來(lái)是有特殊考慮的，這樣做的目的在于滿足后面某些指向常量池的索引值的數(shù)據(jù)在特定情況下需要表達(dá)“不引用任何一個(gè)常量池項(xiàng)目”的含義，這種情況就可以把索引值置為0來(lái)表示。根本原因在于，索引為0也是一個(gè)常量（保留常量），只不過(guò)它不位于常量表中。這個(gè)常量就對(duì)應(yīng)Null值，所以常量池的索引從1而非0開(kāi)始。

常量池結(jié)構(gòu)剖析

緊接其后的就是常量池了。一個(gè)Java類中定義的很多信息都是由常量池維護(hù)和描述的。可以將常量池看作是Class文件的資源庫(kù)。比如：Java類中定義的方法與變量信息，都是存儲(chǔ)在常量池中。常量池中主要存儲(chǔ)兩類常量：字面常量和符號(hào)引用。字面量，如文本字符串，Java中聲明為常量值，而符號(hào)引用如類和接口的全局限定名，字段的名稱和描述符，方法的名稱和描述符等。

注：常量池中存儲(chǔ)的不一定是不變的量！如，?private int x = 5?，x是變量，但“x”這個(gè)變量名字依然存在常量池中。

我們也可以把常量池當(dāng)做一個(gè)數(shù)組（常量池中的每一項(xiàng)常量都是一個(gè)表），與一般數(shù)組不同的是，常量池?cái)?shù)組中不同的元素類型，結(jié)構(gòu)都是不同的，長(zhǎng)度當(dāng)然也不相同；但是每一個(gè)元素的第一個(gè)數(shù)據(jù)都是u1類型，該字節(jié)是個(gè)標(biāo)志位，占一個(gè)字節(jié)。JVM在解析長(zhǎng)量池時(shí)，會(huì)根據(jù)這個(gè)u1類型來(lái)獲取元素的具體類型。目前，常量池中出現(xiàn)的常量類型有14種，如下表：

有了這張表就可以繼續(xù)剖析常量池的內(nèi)容了，常量池第一個(gè)字節(jié)就是一個(gè)標(biāo)志位，0x000A=10，說(shuō)明第一個(gè)常量類型是CONSTANT_Methodref_info。這是一個(gè)表類型，它對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)是：

CONSTANT_Methodref_info{u1tag;u2class_index;u2name_and_type_index;}

可知，該類型常量占1+2+2=5個(gè)字節(jié)。所以我們從常量池前5個(gè)字節(jié)就是第一個(gè)常量元素了。緊接后面就是第二個(gè)常量，同樣的，開(kāi)始是一個(gè)標(biāo)志位，即0x008=8?？芍?，第二個(gè)常量是CONSTANT_String_info類型。CONSTANT_String_info 用于表示?java.lang.String?類型的常量對(duì)象，格式如下：

CONSTANT_String_info{u1tag;u2string_index;}

所以常量池的第二個(gè)元素占3個(gè)字節(jié)。按照這個(gè)套路，我們就可以找出每一個(gè)常量了。一直數(shù)到第46個(gè)常量，常量池就結(jié)束了。此處是常量池中的?14種常量項(xiàng)的結(jié)構(gòu)總表?。感興趣的可以對(duì)照這個(gè)表，去把剩下的常量對(duì)照出來(lái)。

常量項(xiàng)分析

第一個(gè)常量是CONSTANT_Methodref_info類型的，它描述了類中方法的符號(hào)引用。class_index 項(xiàng)的值必須是對(duì)常量池的有效索引，常量池在該索引處的項(xiàng)必須是CONSTANT_Class_info結(jié)構(gòu)，表示一個(gè)類或接口。

class_index表示的索引值是0x000A=10。根據(jù)之前?javap -verbose??輸出的常量池信息，我們可以知道常量池的#10項(xiàng)是CONSTANT_Class_info類型的常量。該類型常量用于表示類或接口，格式如下：

CONSTANT_Class_info{u1tag;u2name_index;}

name_index 項(xiàng)的值，必須是對(duì)常量池的一個(gè)有效索引。常量池在該索引處的項(xiàng)必須是CONSTANT_Utf8_info結(jié)構(gòu)，代表一個(gè)有效的類或接口二進(jìn)制名稱的內(nèi)部形式。

name_index 表示的索引值是43（這里我直接從上面的量池信息讀出，如果從字節(jié)碼里看，此處的值為0x002B=43）。所以接著找常量池第43項(xiàng)的常量類型，是CONSTANT_utf8_info類型，用于表示字符串常量的值，結(jié)構(gòu)如下：

CONSTANT_Utf8_info{u1tag;u2length;u1bytes[length];}

其中，length 項(xiàng)的值指明了 bytes[]數(shù)組的長(zhǎng)度，bytes[]是表示字符串值的byte數(shù)組。在這里，我把字節(jié)碼常量池中#43處常量的16進(jìn)制值單獨(dú)拿出來(lái)來(lái)看。下圖有背景色的部分就是完整的CONSTANT_Utf8_info類型常量表示。

第一個(gè)字節(jié)是標(biāo)志位，0×0001=1。說(shuō)明此常量類型是CONSTANT_Utf8_info。后面2個(gè)字節(jié)是0×0010=16，表示后面bytes[]長(zhǎng)度為16。所以往后數(shù)16個(gè)字節(jié)就是整個(gè)它表示的字符串常量。

bytes[]第一個(gè)字節(jié)值，0x006A。根據(jù)?ASCII碼對(duì)照表?，代表的字符串是”j”。依次的，第二個(gè)字節(jié)0×0061，代表“a”，等等。把16個(gè)字節(jié)看完你就得到了字符串常量表示“java/lang/Object”。好了這表示一個(gè)類的全限定名。饒了一大圈，終于找到最終要表示的常量信息了。

到此，我們把第一個(gè)常量的結(jié)構(gòu)中的class_index就解析完了，還剩一個(gè)name_and_type_index。它表示了常量池在該索引處的項(xiàng)必須是 CONSTANT_NameAndType_info結(jié)構(gòu)，它表示當(dāng)前字段或方法的名字和描述符。后面大家可以根據(jù)?常量池中的14種常量項(xiàng)的結(jié)構(gòu)總表?，并結(jié)合javap得到的常量池信息，自己去分析每個(gè)常量在常量池里是怎么個(gè)回事。

總結(jié)

這篇文章介紹了，字節(jié)碼文件的結(jié)構(gòu)組成，并分析了魔數(shù)、次主版本號(hào)和常量池。尤其帶大家深入分析了常量池的組成結(jié)構(gòu)，并拿例子中的常量池第一個(gè)常量作為案例，完整解析它在常量池中的各項(xiàng)引用。套路都是一樣的，常量池后面的常量，大家可以自己去分析了。你會(huì)發(fā)現(xiàn)類中有用的信息都存在了我們的常量池里，然后以索引的形式，給代碼使用。這也就是常量池作為class文件的資源倉(cāng)庫(kù)的原因了。

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