我是一個 .java 文件，名叫 FlashObject.java，叫我小渣就行。
public class FlashObject {
private String name;
private int age;
public String getName() {
return name;
}
public int add(int a, int b) {
return a + b;
}
}
我馬上就要被 JVM 虛擬機老大加載并運行了，此時老虛走了過來。老虛：小渣呀，我馬上就要把你載了，你先瘦身一下，別占太大地方。public class FlashObject{private String name;private int age;public int add(int a,int b){return a+b;}
小渣：怎么了，我把沒用的空格和回車啥的都去掉了，瘦身了好多呢！老虛：行吧，看你這智商，我就給你解釋解釋。你現在仍然是個文本文件，讓你瘦身是讓你定一個緊湊的數據結構來表示你這個 Java 文件里的信息，然后告訴我這個數據結構中每個字節(jié)都代表什么。老虛：對啊，這樣一是方便我去加載，二是我這個虛擬機可不只是為你 Java 語言服務的，還有很多語言最終都可以轉換為我虛擬機識別的，你得設計一個通用的格式。這里的一個小方格是 1 個字節(jié)，也就是 8 位。一個英文字母用 ASCII 碼表示為 1 個字節(jié)，所以占一個方格，之后不再解釋。
雖然這個 .java 文件中沒寫，但也有其默認父類，Object。誒不對，我這個類名呀，父類名呀，都是變長的，這樣緊挨著放，誰知道分界點在哪。不行不行，得分別在前面加個長度，就用兩字節(jié)表示吧。除了父類之外，還有接口名呢！雖然我們這個類沒寫，但也得定義出來。這個接口，和類名以及父類名稍有不同，因為可能有多個。但這不是事兒，先占用兩個字節(jié)，表示接口的數量即可，之后一個一個的接口名仍然像上面那樣緊挨著排布。慢慢地，我發(fā)現需要字符串名字的地方越來越多。除了剛剛的類名、父類名、接口名，還有屬性名、方法名、屬性的類名、方法的入參類型名、返回值類型名，等等等等。一方面，要是每個都這么展開寫下去，那文件格式會很亂，很多結構都是變長的。另一方面，很多字符串都是重復的，比如屬性 name 的類名 String，與方法 getName 的返回值類名 String，重復寫兩遍，就浪費了空間。因此，我決定，之前的方案作廢，設計一個新的結構來統(tǒng)一存儲這些字符串，我給他起名為常量池。每個字符串都有一個索引與之對應，這個是可以計算出來的，不需要額外的字段。這樣，剛剛的類、父類、接口，就都可以指向這個索引了，也因此可以將長度固定下來。不難想到，還可能有整型、浮點型的值作為常量，甚至還有可能是個引用類型，然后這個引用類型再次指向常量池中的一個索引，有點像指針的指針。那這么多類型，必然就還需要一個記錄類型信息的地方，看來我們得將之前的設計改改。這樣，我們的常量池，就不單單可以存儲簡單的字符串常量了，而是可以根據不同類型，存儲與其相對應的數據結構的值。當然，我們常量池的整體結構還是不變的，只不過里面是類型豐富的結構。同樣，我們的整個設計，也沒有因為常量池的小改動，受到影響。開頭存常量池，之后需要的常量就全往這里放，用一個索引指向它即可。緊接著存放類本身的相關信息，我們存放了當前類、父類以及接口的信息。看來老虛要求的瘦身工作，已經初具規(guī)模啦。現在類本身的信息，已經找到合適的位置存放起來了，接下來我們存變量。變量也可能有多個，所以結構依然仿照我們之前的思路，開頭存數量，后面緊跟著各個存放變量的數據結構。至于變量用什么數據結構來存，是不是定長的，那就是我們接下來要設計的了。非常清晰，private 這部分是變量的標記，String 是變量類型，name 是變量名字。除了 private，還有 public、protected、static、final、volatile、transient 等，有的可以放在一起，比如public static final String name；public private String name; //錯誤我們用位圖的方式，每一個標記用一個位來表示（比如 public 在第一個位，private 在第二個位，static 在第四個位，final 在第五個位...），這樣不論如何排列組合，最終的值都是不一樣的。標記 | 值 |
public | 0x0001 |
private | 0x0002 |
protected | 0x0004 |
static | 0x0008 |
final | 0x0010 |
volatile | 0x0040 |
transient | 0x0080 |
復合型的標記，就可以表現為將其相加，比如 public static，就是 0x0001 + 0x0008 = 0x0009。而這樣的賦值方式，不同排列組合后的和沒有重復的，且也能根據值很方便地反推出標記。哦對了，類信息本身也有 public 呀 private 這些標記屬性，剛剛記錄類信息的時候忘了，先加上它，免得一會忘了！當前類型為 String，屬于一個引用數據類型中的類類型。除此之外，還有八個基本數據類型，和引用類型中的數組類型。符號表示 | 類型 |
B | byte |
C | char |
D | double |
F | float |
I | int |
J | long |
S | short |
Z | boolean |
LClassName ; | 類 |
[ | 數組 |
這里的基本數據類型，和數組類型，都只占用一個 char 來表示，就只占了 1 個字節(jié)。如果是類，則占用了 L 和 ; 兩個字節(jié)，再加上全類名所占的字節(jié)數。但注意，這里的符號，也都可以存放在常量池中，而我們的變量結構中的類型描述符部分，只需要一個常量池索引即可。ok，第二部分也搞定了。
名字部分沒什么好說的，相信你直接能猜到了，直接上圖。OK，兩字節(jié)的標記、兩字節(jié)的類型描述符、兩字節(jié)的變量名稱，這個就是我們一個變量的數據結構。方法也可能會有很多，我目前只有兩個方法，我們拿 add 方法來分析。public int add(int a, int b) {
return a + b;
}
不過有了設計變量的經驗，方法的數據結構很快就有了雛形。標記部分，和變量標記部分的思路一樣，值也差不多，我們也給他們賦上值就好了。
標記 | 值 |
public | 0x0001 |
private | 0x0002 |
protected | 0x0004 |
static | 0x0008 |
final | 0x0010 |
volatile | 0x0040 |
transient | 0x0080 |
synchronized | 0x0020 |
native | 0x0100 |
abstract | 0x0400 |
方法描述符，說的是方法的入參與返回值，比如我們的：入參與返回值的類型符號表示，與上面變量類型的符號表示完全一樣，只不過多了一個 void 類型。符號表示 | 類型 |
B | byte |
C | char |
D | double |
F | float |
I | int |
J | long |
S | short |
Z | boolean |
LClassName ; | 類 |
[ | 數組 |
V | void |
由于有多個參數類型，所以要定一個整體的格式，而整個描述符的格式為：( 參數1類型 參數2類型 ... ) 返回值類型是不是非常精簡了？同樣，這也是個字符串，也可以存儲在常量池里，就不再贅述。（至于參數 a 和 b 這個名字，不需要保存起來，實際上在轉換的字節(jié)碼以及實際虛擬機中運行時，只需要知道局部變量表中的位置即可，叫什么名字都無所謂）
代碼、異常、注解等。可以看到，有相當多的信息需要記錄。@RequestMapping()
public String function(String a) throws Exception {
return a;
}
但似乎除了代碼部分之外，其他部分都不是每個方法都有的，如果都定義出來，豈不是浪費空間，那怎么辦呢？我們效仿常量池的做法，把這些部分都叫“方法的屬性”，一個方法可能有多個屬性，設計結構如下。這樣，方法具有哪些屬性，按需添加進來就好，如果不需要這個屬性，也不用浪費空間，完美！public int add(int a, int b) {
return a + b;
}
之前聽老虛說過，JVM 識別的是一種叫字節(jié)碼的東西，所以我要把 Java 語言寫出的代碼，轉換為字節(jié)碼。這部分很復雜，就不展開說我的過程了，經過一番努力后，我把這一行簡簡單單的代碼轉換為了字節(jié)碼。我把這四個字節(jié)，就放在剛剛代碼類型的屬性中。我把我轉換為了這樣的結構，并帶著這個最終的設計稿，去找了老虛。魔數一般用來識別這個文件的格式，通過文件名后綴的方式不靠譜，一般有格式的文件都會有個魔數的。后面兩個用來標識一下版本號，不同版本可能數據結構和支持的功能不一樣，這個今后會有用的！小渣：原來如此，還是你老虛見多識廣。可是你說用來識別這個文件的格式，我這個文件是啥呀？FlashObject.class
根據 Java 虛擬機規(guī)范，Java Virtual Machine Specification Java SE 8 Edition，一個 class 文件的標準結構，是這樣的。
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];
}
我們的設計與它幾乎相同。
只有后兩項，我們沒有涉及到，本身也不是重點。
| |
| |
| |
| |
| CONSTANT_InterfaceMethodref | |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
如果想了解 class 文件的全部細節(jié)，最好的辦法就是閱讀官方文檔，也就是 Java 虛擬機規(guī)范的第四部分。
Chapter 4. The class File Format
這里的鏈接可以直接定位：
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.3.2
不要覺得官方文檔晦澀難懂，這個部分還是非常清晰明了的，大多數博客基本上對格式的講解都缺斤少兩，而且說得也不形象，還不如直接閱讀官方文檔呢。
還有一個好的方式，就是直接觀察 class 文件的二進制結構解析，這里推薦一個工具
classpy
用這個工具打開一個 class 文件，是這個樣子。
左邊解析好的樹型結構，可以直接和右邊的 class 文件的二進制內容相對應，非常好用。
最后，希望大家找時間用這個工具分析一個復雜的 class 文件，會很有幫助的。祝大家學會 class 文件。
