class文件結(jié)構(gòu)

Class文件存儲的內(nèi)容稱為字節(jié)碼（ByteCode），包含了JVM指令集和符號表以及若干其他輔助信息。

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)格按照順序緊湊的排列在Class文件中，中間沒有添加任何分隔符，整個(gè)Class文件中存儲的內(nèi)容幾乎全部是程序運(yùn)行的必要的數(shù)據(jù)，沒有空隙存在。

當(dāng)遇到8位字節(jié)以上的空間的數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，則會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。

Class文件中有兩種數(shù)據(jù)類型，分別是無符號數(shù)和表。

無符號數(shù)

無符號數(shù)屬于基本的數(shù)據(jù)類型，以u1、u2、u4、u8來表示一個(gè)字節(jié)、兩個(gè)字節(jié)...的無符號數(shù)；無符號數(shù)用來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或UTF-8編碼構(gòu)成的字符串值。

表

表是由多個(gè)無符號數(shù)或其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，一般以"_info"結(jié)尾,用來描述class文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

特點(diǎn)：節(jié)省存儲空間，提高處理性能

ClassFile { 
    u4 magic; 
    u2 minor_version; 
    u2 major_version; 
    u2 constant_pool_count; 
    cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; 
    u2 access_flags; 
    u2 this_class; 
    u2 super_class; 
    u2 interfaces_count; 
    u2 interfaces[interfaces_count]; 
    u2 fields_count; 
    field_info fields[fields_count]; 
    u2 methods_count; 
    method_info methods[methods_count]; 
    u2 attributes_count; 
    attribute_info attributes[attributes_count]; 
}

• 魔數(shù)
• Class文件版本
• 常量池
• 訪問標(biāo)志
• 類索引，父類索引，接口索引集合
• 字段表集合
• 方法表集合
• 屬性表集合

u2表示無符號數(shù)2個(gè)字節(jié)
u4表示無符號數(shù)4個(gè)字節(jié)

Class文件設(shè)計(jì)理念和意義

1. 魔數(shù)magic

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，不會改變。

證明magic作用

創(chuàng)建一個(gè)class文件 magic.class ,內(nèi)容是magic test，直接運(yùn)行java magic操作：

84407@FantJ MINGW64 ~/Desktop
$ java magictest
????: ???????? magictest ????? LinkageError
        java.lang.ClassFormatError: Incompatible magic value 1886741100 in class file magictest

報(bào)錯(cuò)意思是：magic矛盾，然后給了個(gè)magic value的十進(jìn)制數(shù)，那么可以識別的magic十進(jìn)制應(yīng)該是多少呢。

那么，然后我用javac編譯的正常java文件生成class文件，用binary viewer 查看：

minor_version、major_version

魔數(shù)往后后面四位：表示字節(jié)碼版本,分別表示Class文件的副、主版本。當(dāng)今用的最廣的幾個(gè)版本：
jdk1.8：52
jdk1.7：51
jdk1.6：50

對應(yīng)版本號是52，是jdk1.8

版本向下兼容

2. constant_pool_count

常量池計(jì)數(shù)器,值等于constant_pool表中的成員數(shù)加1,占用兩個(gè)字節(jié)

3. constant_pool[]常量池

Java虛擬機(jī)指令執(zhí)行時(shí)依賴常量池（constant_pool）表中的符號信息。

所有的常量池項(xiàng)都具有如下通用格式：

cp_info {
    u1 tag; 
    u1 info[]; 
}

info[]項(xiàng)的內(nèi)容tag由的類型所決定。tag有效的類型和對應(yīng)的取值在下表列出

3.1 CONSTANT_Class_info結(jié)構(gòu)

表示類或接口

CONSTANT_Class_info {
    u1 tag; 
    u2 name_index;
}

name_index必須是對常量池的一個(gè)有效索引

3.2 CONSTANT_Fieldref_info， CONSTANT_Methodref_info和CONSTANT_InterfaceMethodref_info結(jié)構(gòu)

字段：

CONSTANT_Fieldref_info {
    u1 tag; 
    u2 class_index; 
    u2 name_and_type_index; 
}

方法：

CONSTANT_Methodref_info { 
    u1 tag; 
    u2 class_index; 
    u2 name_and_type_index; 
}

接口方法：

CONSTANT_InterfaceMethodref_info {
    u1 tag; 
    u2 class_index; 
    u2 name_and_type_index; 
}

class_index必須是對常量池的有效索引,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，當(dāng)前字段或方法是這個(gè)類或接口的成員。

CONSTANT_Methodref_info結(jié)構(gòu)的class_index項(xiàng)的類型必須是類（不能是接口）。CONSTANT_InterfaceMethodref_info結(jié)構(gòu)的class_index項(xiàng)的類型必須是接口（不能是類）。CONSTANT_Fieldref_info結(jié)構(gòu)的class_index項(xiàng)的類型既可以是類也可以是接口。

name_and_type_index必須是對常量池的有效索引，表示當(dāng)前字段或方法的名字和描述符。
在一個(gè)CONSTANT_Fieldref_info結(jié)構(gòu)中，給定的描述符必須是字段描述符。而CONSTANT_Methodref_info和CONSTANT_InterfaceMethodref_info中給定的描述符必須是方法描述符。

3.3 CONSTANT_String_info結(jié)構(gòu)

用來表示String的結(jié)構(gòu)

CONSTANT_String_info {
    u1 tag;
    u2 string_index;
}

string_index必須是對常量池的有效索引，常量池在該索引處的項(xiàng)必須是CONSTANT_Utf8_info
結(jié)構(gòu)，表示一組Unicode碼點(diǎn)序列，這組Unicode碼點(diǎn)序列最終會被初始化為一個(gè)String對象。

3.4CONSTANT_Integer_info和CONSTANT_Float_info結(jié)構(gòu)

表示4字節(jié)（int和float）的數(shù)值常量：

CONSTANT_Integer_info {
    u1 tag; 
    u4 bytes; 
} 
CONSTANT_Float_info { 
    u1 tag; 
    u4 bytes;
}

3.5CONSTANT_Long_info和CONSTANT_Double_info結(jié)構(gòu)

表示8字節(jié)（long和double）的數(shù)值常量

CONSTANT_Long_info {
    u1 tag; 
    u4 high_bytes; 
    u4 low_bytes; 
} 

CONSTANT_Double_info { 
    u1 tag; 
    u4 high_bytes; 
    u4 low_bytes; 
}

3.6 CONSTANT_NameAndType_info結(jié)構(gòu)

表示字段或方法，但是和前面介紹的3個(gè)結(jié)構(gòu)不同，CONSTANT_NameAndType_info結(jié)構(gòu)沒有標(biāo)識出它所屬的類或接口

CONSTANT_NameAndType_info { 
    u1 tag; 
    u2 name_index; 
    u2 descriptor_index;
}

name_index項(xiàng)的值必須是對常量池的有效索引，常量池在該索引處的項(xiàng)必須是CONSTANT_Utf8_info結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)要么表示特殊的方法名，要么表示一個(gè)有效的字段或方法的非限定名（Unqualified Name）。

descriptor_index項(xiàng)的值必須是對常量池的有效索引，常量池在該索引處的項(xiàng)必須是CONSTANT_Utf8_info結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)表示一個(gè)有效的字段描述符或方法描述符。

3.7 CONSTANT_Utf8_info結(jié)構(gòu)

用于表示字符串常量的值

CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag; 
    u2 length; 
    u1 bytes[length]; 
}

CONSTANT_Utf8_info結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容是以length屬性確定長度的

3.8 CONSTANT_MethodHandle_info結(jié)構(gòu)

表示方法句柄

CONSTANT_MethodHandle_info {
    u1 tag;
    u1 reference_kind;
    u2 reference_index;
}

reference_kind項(xiàng)的值必須在1至9之間（包括1和9），它決定了方法句柄的類型。

1. 如果reference_kind項(xiàng)的值為1（REF_getField）、2（REF_getStatic）、3（REF_putField）或4（REF_putStatic），那么常量池在reference_index索引處的項(xiàng)必須是CONSTANT_Fieldref_info結(jié)構(gòu)，表示由一個(gè)字段創(chuàng)建的方法句柄。
2. 如果reference_kind項(xiàng)的值是5（REF_invokeVirtual）、6（REF_invokeStatic）、7（REF_invokeSpecial）或8（REF_newInvokeSpecial），那么常量池在reference_index索引處的項(xiàng)必須是CONSTANT_Methodref_info結(jié)構(gòu)，表示由類的方法或構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建的方法句柄。
3. 如果reference_kind項(xiàng)的值是9（REF_invokeInterface），那么常量池在reference_index索引處的項(xiàng)必須是CONSTANT_InterfaceMethodref_info結(jié)構(gòu)，表示由接口方法創(chuàng)建的方法句柄。
4. 如果reference_kind項(xiàng)的值是5（REF_invokeVirtual）、6（REF_invokeStatic）、7（REF_invokeSpecial）或9（REF_invokeInterface），那么方法句柄對應(yīng)的方法不能為實(shí)例初始化（）方法或類初始化方法（）。
5. 如果reference_kind項(xiàng)的值是8（REF_newInvokeSpecial），那么方法句柄對應(yīng)的方法必須為實(shí)例初始化（）方法。

3.9 CONSTANT_MethodType_info結(jié)構(gòu)

表示方法類型

CONSTANT_MethodType_info { 
    u1 tag; 
    u2 descriptor_index; 
}

3.10 CONSTANT_InvokeDynamic_info結(jié)構(gòu)

表示invokedynamic指令所使用到的引導(dǎo)方法（Bootstrap Method）、引導(dǎo)方法使用到動態(tài)調(diào)用名稱（Dynamic Invocation Name）、參數(shù)和請求返回類型、以及可以選擇性的附加被稱為靜態(tài)參數(shù)（Static Arguments）的常量序列。

CONSTANT_InvokeDynamic_info { 
    u1 tag; 
    u2 bootstrap_method_attr_index; 
    u2 name_and_type_index; 
}

bootstrap_method_attr_index項(xiàng)的值必須是對當(dāng)前Class文件中引導(dǎo)方法表的bootstrap_methods[]數(shù)組的有效索引。

name_and_type_index項(xiàng)的值必須是對當(dāng)前常量池的有效索引，常量池在該索引處的項(xiàng)必須是CONSTANT_NameAndType_info結(jié)構(gòu)，表示方法名和方法描述符。

4. access_flags:訪問標(biāo)志

訪問標(biāo)志，access_flags是一種掩碼標(biāo)志，用于表示某個(gè)類或者接口的訪問權(quán)限及基礎(chǔ)屬性。access_flags的取值范圍和相應(yīng)含義見下表。

5. this_class:類索引

this_class的值必須是對constant_pool表中項(xiàng)目的一個(gè)有效索引值。

是一個(gè)對constant_pool表中項(xiàng)目的一個(gè)有效索引值，表示指向常量池的第幾個(gè)位置。

6. super_class：父類索引

表示這個(gè)Class文件所定義的類的直接父類,如果Class文件的super_class的值為0，那這個(gè)Class文件只可能是定義的是java.lang.Object類，只有它是唯一沒有父類的類

是一個(gè)對constant_pool表中項(xiàng)目的一個(gè)有效索引值，表示指向常量池的第幾個(gè)位置。

7. interfaces_count:接口計(jì)數(shù)器

表示有這個(gè)類有幾個(gè)接口。

8. interfaces[]:接口表

成員所表示的接口順序和對應(yīng)的源代碼中給定的接口順序（從左至右）一樣，即interfaces[0]對應(yīng)的是源代碼中最左邊的接口。

是一個(gè)對constant_pool表中項(xiàng)目的一個(gè)有效索引值，表示指向常量池的第幾個(gè)位置。

表示當(dāng)前類或接口的直接父接口數(shù)量

9. fields_count:字段計(jì)數(shù)器

表示當(dāng)前Class文件fields[]數(shù)組的成員個(gè)數(shù)

10. fields[]:字段表

每個(gè)成員都必須是一個(gè)fields_info結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)項(xiàng),描述當(dāng)前類或接口聲明的所有字段，但不包括從父類或父接口繼承的部分。

用于表示當(dāng)前類或接口中某個(gè)字段的完整描述

field_info {
    u2 access_flags; 
    u2 name_index;      //對常量池的一個(gè)有效索引
    u2 descriptor_index;     //對常量池的一個(gè)有效索引
    u2 attributes_count;     //當(dāng)前字段的附加屬性的數(shù)量
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

access_flags項(xiàng)的值是用于定義字段被訪問權(quán)限和基礎(chǔ)屬性的掩碼標(biāo)志。access_flags的取值范圍和相應(yīng)含義見下表所示:

attributes表的每一個(gè)成員的值必須是attribute結(jié)構(gòu)，一個(gè)字段可以有任意個(gè)關(guān)聯(lián)屬性。

11. methods_count:方法計(jì)數(shù)器

methods_count的值表示當(dāng)前Class文件methods[]數(shù)組的成員個(gè)數(shù)，Methods[]數(shù)組中每一項(xiàng)都是一個(gè)method_info結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)項(xiàng)。

12. methods[]：方法表

method_info結(jié)構(gòu)可以表示類和接口中定義的所有方法，包括實(shí)例方法、類方法、實(shí)例初始化方法方法和類或接口初始化方法方法。methods[]數(shù)組只描述當(dāng)前類或接口中聲明的方法，不包括從父類或父接口繼承的方法。

methods[]數(shù)組中的每個(gè)成員都必須是一個(gè)method_info結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，用于表示當(dāng)前類或接口中某個(gè)方法的完整描述。

method_info { 
    u2 access_flags; 
    u2 name_index; 
    u2 descriptor_index; 
    u2 attributes_count; 
    attribute_info attributes[attributes_count]; 
}

access_flags項(xiàng)的值是用于定義當(dāng)前方法的訪問權(quán)限和基本屬性的掩碼標(biāo)志，access_flags的取值范圍和相應(yīng)含義見下表所示。

name_index和 descriptor_index 兩屬性是對常量池的一個(gè)有效索引
attributes_count的項(xiàng)的值表示這個(gè)方法的附加屬性的數(shù)量。
attributes 表的每一個(gè)成員的值必須是attribute結(jié)構(gòu)，一個(gè)方法可以有任意個(gè)與之相關(guān)的屬性。

13. attributes_count:屬性計(jì)數(shù)器

attributes表中每一項(xiàng)都是一個(gè)attribute_info結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)項(xiàng)。

attributes_count的值表示當(dāng)前Class文件attributes表的成員個(gè)數(shù)。

14. attributes[]:屬性表

attributes表的每個(gè)項(xiàng)的值必須是attribute_info結(jié)構(gòu),在Class文件格式中的ClassFile結(jié)構(gòu)、field_info結(jié)構(gòu)，method_info結(jié)構(gòu)和Code_attribute結(jié)構(gòu)都有使用，所有屬性的通用格式如下：

attribute_info {
    u2 attribute_name_index; 
    u4 attribute_length; 
    u1 info[attribute_length];
}

attribute_name_index必須是對當(dāng)前Class文件的常量池的有效16位無符號索引。表示當(dāng)前屬性的名字。

attribute_length項(xiàng)的值給出了跟隨其后的字節(jié)的長度，這個(gè)長度不包括attribute_name_index和attribute_name_index項(xiàng)的6個(gè)字節(jié)。

14.1 ConstantValue屬性

ConstantValue屬性是定長屬性，位于field_info結(jié)構(gòu)的屬性表中。如果該字段為靜態(tài)類型（即field_info結(jié)構(gòu)的access_flags項(xiàng)設(shè)置了ACC_STATIC標(biāo)志），則說明這個(gè)field_info結(jié)構(gòu)表示的常量字段值將被分配為它的ConstantValue屬性表示的值，這個(gè)過程也是類或接口申明的常量字段（Constant Field）初始化的一部分。這個(gè)過程發(fā)生在引用類或接口的類初始化方法執(zhí)行之前。

ConstantValue_attribute { 
    u2 attribute_name_index; 
    u4 attribute_length; 
    u2 constantvalue_index; 
}

attribute_name_index項(xiàng)的值，必須是一個(gè)對常量池的有效索引。
attribute_length項(xiàng)的值固定為2。
constantvalue_index項(xiàng)的值，必須是一個(gè)對常量池的有效索引。

14.2 Code屬性

Code屬性是一個(gè)變長屬性，位于method_info結(jié)構(gòu)的屬性表。一個(gè)Code屬性只為唯一一個(gè)方法、實(shí)例類初始化方法或類初始化方法保存Java虛擬機(jī)指令及相關(guān)輔助信息。所有Java虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)都必須能夠識別Code屬性。如果方法被聲明為native或者abstract類型，那么對應(yīng)的method_info結(jié)構(gòu)不能有明確的Code屬性，其它情況下，method_info有必須有明確的Code屬性。

Code_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length; 
    u2 max_stack;
    u2 max_locals;
    u4 code_length; 
    u1 code[code_length]; 
    u2 exception_table_length; 
    {   u2 start_pc;
        u2 end_pc; 
        u2 handler_pc; 
        u2 catch_type; 
    } exception_table[exception_table_length]; 
    u2 attributes_count; 
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

attribute_name_index項(xiàng)的值必須是對常量池的有效索引
attribute_length項(xiàng)的值表示當(dāng)前屬性的長度，不包括開始的6個(gè)字節(jié)。
max_stack項(xiàng)的值給出了當(dāng)前方法的操作數(shù)棧在運(yùn)行執(zhí)行的任何時(shí)間點(diǎn)的最大深度。
max_locals項(xiàng)的值給出了分配在當(dāng)前方法引用的局部變量表中的局部變量個(gè)數(shù)，包括調(diào)用此方法時(shí)用于傳遞參數(shù)的局部變量。long和double型的局部變量的最大索引是max_locals-2，其它類型的局部變量的最大索引是max_locals-1.
code_length項(xiàng)給出了當(dāng)前方法的code[]數(shù)組的字節(jié)數(shù)，code_length的值必須大于0，即code[]數(shù)組不能為空。
code[]數(shù)組給出了實(shí)現(xiàn)當(dāng)前方法的Java虛擬機(jī)字節(jié)碼。
exception_table_length項(xiàng)的值給出了exception_table[]數(shù)組的成員個(gè)數(shù)量。
exception_table[]數(shù)組的每個(gè)成員表示code[]數(shù)組中的一個(gè)異常處理器（Exception Handler）。exception_table[]數(shù)組中，異常處理器順序是有意義的（不能隨意更改）。
start_pc和end_pc兩項(xiàng)的值表明了異常處理器在code[]數(shù)組中的有效范圍。
handler_pc項(xiàng)表示一個(gè)異常處理器的起點(diǎn)
如果catch_type項(xiàng)的值不為0，那么它必須是對常量池的一個(gè)有效索引
attributes_count項(xiàng)的值給出了Code屬性中attributes表的成員個(gè)數(shù)。
屬性表的每個(gè)成員的值必須是attribute結(jié)構(gòu)。一個(gè)Code屬性可以有任意數(shù)量的可選屬性與之關(guān)聯(lián)。

14.3 StackMapTable屬性

StackMapTable屬性是一個(gè)變長屬性，位于Code屬性的屬性表中。這個(gè)屬性會在虛擬機(jī)類加載的類型階段被使用。

StackMapTable_attribute { 
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length; 
    u2 number_of_entries; 
    stack_map_frame entries[number_of_entries];
}

attribute_name_index項(xiàng)的值必須是對常量池的有效索引
attribute_length項(xiàng)的值表示當(dāng)前屬性的長度，不包括開始的6個(gè)字節(jié)。
number_of_entries項(xiàng)的值給出了entries表中的成員數(shù)量。Entries表的每個(gè)成員是都是一個(gè)stack_map_frame結(jié)構(gòu)的項(xiàng)。
entries表給出了當(dāng)前方法所需的stack_map_frame結(jié)構(gòu)。

...更多的屬性就不在這一一貼了，太多了，需要的時(shí)候查官方文檔即可：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.4

字節(jié)碼指令

java虛擬機(jī)指令由一個(gè)字節(jié)長度的，代表某種特定操作含義的數(shù)字（稱之為操作碼），以及隨后的代表此操作所需參數(shù)的操作數(shù)而構(gòu)成。

操作碼的長度為1個(gè)字節(jié)，所以最大只有256條

常量入棧指令

局部變量值轉(zhuǎn)載到棧中指令

將棧頂值保存到局部變量中指令

wide指令

通用（無類型）棧操作指令

類型轉(zhuǎn)換指令

整數(shù)運(yùn)算

浮點(diǎn)運(yùn)算

邏輯運(yùn)算——移位運(yùn)算

邏輯運(yùn)算——按位布爾運(yùn)算

控制流指令——條件跳轉(zhuǎn)指令

控制流指令——比較指令

控制流指令——無條件跳轉(zhuǎn)指令

控制流指令——表跳轉(zhuǎn)指令

控制流指令——異常和finally

對象操作指令

數(shù)組操作指令

方法調(diào)用指令

方法返回指令

線程同步指令

指令參考：https://blog.csdn.net/web_code/article/details/12164733

一個(gè)簡單的demo分析

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);
    }
}

javap -v Test.class

   #2 = Fieldref           #24.#25        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Methodref          #26.#27        // java/io/PrintStream.println:(I)V
  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    //把10擴(kuò)展成int入棧
         2: istore_1      //將棧頂int類型值保存到局部變量1中
         3: bipush        20     //把20擴(kuò)展成int入棧
         5: istore_2     //將棧頂int類型值保存到局部變量2中
         6: iload_1      //從局部變量1中裝載int類型值入棧  
         7: iload_2     //從局部變量2中裝載int類型值入棧  
         8: iadd       // 將棧頂兩int類型數(shù)相加，結(jié)果入棧。
         9: istore_3     //將棧頂int類型值保存到局部變量3中
        10: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;獲取靜態(tài)字段的值。#2表示常量池的索引
        13: iload_3
        14: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V 運(yùn)行時(shí)方法綁定調(diào)用方法。
        17: return      //void函數(shù)返回。