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*.class文件介紹

一般來講.class文件是.java文件在編譯器編譯后生成的jvm能夠運(yùn)行的文件，*.class文件又常被稱為字節(jié)碼文件。java在創(chuàng)始之初，就提倡“一次編寫，處處運(yùn)行的概念”，在當(dāng)今編程圈中這個(gè)概念早已不是什么特例。java通過將開發(fā)人員所編寫的java代碼編譯成class文件，然后由jvm虛擬機(jī)在執(zhí)行時(shí)將不分平臺(tái)的class文件中的字節(jié)碼，再翻譯成機(jī)器碼，交給硬件執(zhí)行。java就是靠jvm虛擬機(jī)的這個(gè)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)無關(guān)的特性的。class文件不但與硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)無關(guān)，也和具體的編程語言無關(guān)，就目前來說，如函數(shù)式編程語言scala與Groovy都可以通過自己的編譯器將源代碼編譯成class文件，在jvm上運(yùn)行。
綜合來講，class文件有以下兩點(diǎn)特性：

• 與硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)無關(guān)
• 與源碼所使用的編程語言無關(guān)

class類文件的結(jié)構(gòu)

每一個(gè)class文件都唯一對(duì)應(yīng)著java類或接口枚舉等定義信息，但類不一定都定義在class文件中，類可能是由類加載器動(dòng)態(tài)生成的。

class文件所以被稱之為字節(jié)碼據(jù)我猜測(cè)可能是因?yàn)閏lass文件以8位（1字節(jié)）為單位進(jìn)行存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息。字節(jié)碼中各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目嚴(yán)格按照順序緊湊的排列，中間沒有任何分割符。在需要存儲(chǔ)整型或浮點(diǎn)型這些大于8位的數(shù)據(jù)項(xiàng)目時(shí)，則會(huì)使用Big-Endian的字節(jié)序進(jìn)行存儲(chǔ)，將最高位字節(jié)放在地址最低位，最低位字節(jié)放在地址最高位。

class文件格式采用表來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，表中有無符號(hào)數(shù)和表兩種數(shù)據(jù)類型。對(duì)于這兩種數(shù)據(jù)類型說明如下：

• 無符號(hào)數(shù)： 無符號(hào)數(shù)是基本的數(shù)據(jù)類型，可以用來表示數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或者按照UTF-8編碼構(gòu)成的字符串。如u1,u2,u4,u8分別代表1,2,4,8個(gè)字節(jié)字節(jié)的無符號(hào)數(shù)。
• 表： 表是由多個(gè)無符號(hào)數(shù)或者其它表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)所組成的復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表用于描述層次關(guān)系和復(fù)合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，整個(gè)class文件就是一張表。通常表以 _info 結(jié)尾。如表1就是一個(gè)class的表示例。

表 1 class文件格式

class文件的順序和格式必須嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)按照上述規(guī)則，否則jvm將不能識(shí)別執(zhí)行。

Magic Number 魔數(shù)

魔數(shù)是一個(gè)和文件后綴名相似的用于文件格式識(shí)別的約定，一般規(guī)定文件內(nèi)容開頭的前幾個(gè)字節(jié)為文件的魔數(shù)。不同于文件后綴名很容易被用戶以重命名的方式進(jìn)行更改，文件的魔數(shù)作為識(shí)別手段可以更安全的確定文件的可用性。

class文件使用前4個(gè)字節(jié)作為魔數(shù)，來確定.class文件是否是一個(gè)能夠被虛擬機(jī)識(shí)別的文件，其值是 0xCAFFEBABE 。

版本

class文件的第5-6個(gè)字節(jié)代表的可執(zhí)行該class文件的目標(biāo)虛擬機(jī)的最低次版本號(hào)(Minor Version)，第7-8個(gè)字節(jié)是主版本號(hào)(Major Version)。java虛擬機(jī)可以運(yùn)行比當(dāng)前虛擬機(jī)版本號(hào)低的class文件，拒絕運(yùn)行版本號(hào)不合法，或比自己版本高的class文件。JDK1.1的版本號(hào)是45，之后的每個(gè)大版本發(fā)布都把主版本號(hào)加1，如JDK1.2主版本號(hào)是46，JDK8的版本號(hào)是52。
JDK在編譯java文件是可以通過 javac -target 1.6 ...命令來指定編譯后的class文件可以在1.6的虛擬機(jī)版本上運(yùn)行。

常量池

常量池是class文件中第一個(gè)表類型的數(shù)據(jù)項(xiàng)目，常量池是class文件中的資源倉(cāng)庫(kù)，是class文件結(jié)構(gòu)中與其它項(xiàng)目關(guān)聯(lián)最多的數(shù)據(jù)類型，也是占用class文件空間最大的數(shù)據(jù)項(xiàng)目之一。

class文件里緊隨版本之后的數(shù)據(jù)項(xiàng)是常量池，由于常量池的數(shù)量是不固定的，所以在常量池的數(shù)據(jù)項(xiàng)之前放置的有一個(gè)u2類型的數(shù)據(jù)，代表常量池的大小。常量池大小的初始值是1，如常量池的大小的數(shù)據(jù)如果顯示的是10，就代表該class文件中有9個(gè)常量。
常量池中主要存放兩大類常量：Literal(字面常量)、Symbolic Reference(符號(hào)引用常量)。字面常量類似于java中常量的概念，如文本字符串、final關(guān)鍵字所聲明的常量等。而符號(hào)引用常量則是編譯中的概念，主要包括以下三種類型的常量。

• 符號(hào)常量

+ 類和接口的全限定名(Fully Qualified Name)
+ 字段名稱和描述符(Descriptor)
+ 方法的名稱和描述符

class文件中不會(huì)保存各個(gè)方法或字段在內(nèi)存中的布局信息，而是在虛擬機(jī)加載class文件時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的連接。虛擬機(jī)在運(yùn)行class文件時(shí)從常量池中獲取對(duì)應(yīng)的符號(hào)引用，再在創(chuàng)建類或者運(yùn)行時(shí)解析連接到具體的內(nèi)存地址當(dāng)中。
常量池中的每一個(gè)常量都是一個(gè)表，在JDK8中有14種表結(jié)構(gòu)的常量表。如表 2 所示。

表 2 常量池?cái)?shù)據(jù)項(xiàng)目類型表

這14種常量結(jié)構(gòu)表開始的第一個(gè)字節(jié)都是一個(gè)u1類型的標(biāo)識(shí)位，其值就是表2中每項(xiàng)常量表類型所對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)列的值，代表當(dāng)前常量屬于哪種常量類型。這14種常量類型各自有自己不同的表結(jié)構(gòu)，詳情如表 3 所示。

表 3 常量池中14中常量的結(jié)構(gòu)總表

在表 3 中可以看到class文件所支持的所有的常量的結(jié)構(gòu)信息，另外由于class中的類名、方法、字段都要用CONSTANT_Utf8_info型的常量來描述名稱，所以CONSTANT_Utf8_info的最大長(zhǎng)度也是java中類名、方法名或字段的最大長(zhǎng)度65535，如果超出這個(gè)最大長(zhǎng)度，便會(huì)無法編譯。

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引用

在寫作本文的過程中引用了以下資料，為為在此深深謝過以下資料的作者。

1. 《The Java Virtual Machine Specification》
2. 《深入理解Java虛擬機(jī)：JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐/周志明著.——2版.——北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.6》

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