Class 類文件結(jié)構(gòu)

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? 作者?|? Zzzkis

來源 |? urlify.cn/yuAJJj

76套java從入門到精通實戰(zhàn)課程分享

一，概述

我們知道，Java 具有跨平臺性，其實現(xiàn)基礎(chǔ)就是虛擬機和字節(jié)碼存儲格式。Java 虛擬機不與 Java 語言綁定，只與 Class 文件所關(guān)聯(lián)。Java 虛擬機作為一個通用的、與機器無關(guān)的執(zhí)行平臺，任何語言都可以將 Java 虛擬機作為它們的運行基礎(chǔ)，以 Class 文件作為它們產(chǎn)品的交付媒介。

Class 文件是一組以 8 個字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進制流，各個數(shù)據(jù)項目嚴格按照順序緊湊地排列在文件之中，中間沒有添加任何分隔符，這使得整個 Class 文件中存儲的內(nèi)容幾乎全部是程序運行的必要數(shù)據(jù)。當(dāng)遇到需占用 8 個字節(jié)以上空間的數(shù)據(jù)項時，則會按照高位在前的方式分割成若干個 8 個字節(jié)進行存儲。

Class 文件中有兩種數(shù)據(jù)類型，分別是無符合數(shù)和表：

• 無符號數(shù)屬于基本數(shù)據(jù)類型，以 u1、u2、u4、u8 來分別代表 1 個字節(jié)、2 個字節(jié)、4 個字節(jié)和 8 個字節(jié)的無符號數(shù)，無符號數(shù)可以用來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或 UTF-8 編碼構(gòu)成字符串值

• 表是由多個無符號數(shù)或其他表作為數(shù)據(jù)項構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，一般以 _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 Class 文件本質(zhì)上也可以視作是一張表

無論是無符號數(shù)還是表，當(dāng)需要描述同一類型但數(shù)量不定的多個數(shù)據(jù)時，經(jīng)常會使用一個前置的容量計數(shù)器加若干個連續(xù)的數(shù)據(jù)項的形式，這時候稱這一系列連續(xù)的某一類型的數(shù)據(jù)為某一類型的集合。

下面是 Class 文件格式：

二，魔數(shù)和 Class 文件版本

Class 文件的頭 4 個字節(jié)被稱為魔數(shù)（Magic Number），它的唯一作用是確定該 Class 文件是否能被虛擬機接受，其值為 0xCAFEBABE（咖啡寶貝）。

緊接著魔數(shù)的 4 個字節(jié)存儲的是 Class 文件的版本號：第 5 和第 6 個字節(jié)是次版本號（Minor Version），第 7 和第 8 個字節(jié)是主版本號（Major Version）。Java 版本號從 45 開始，以后每個 JDK 大版本發(fā)布則主版本號加 1。高版本的 JDK 能向下兼容以前版本的 Class 文件，但不能運行以后版本的 Class 文件。

三，常量池

緊接著主、次版本號的是常量池入口，常量池入口需要放置一項 u2 類型的數(shù)據(jù)，代表常量池容量計數(shù)值（constant_pool_count），這個容量計數(shù)是從 1 而不是從 0 開始，第 0 項用于表達“不引用任何一個常量池項目”的含義。Class 文件結(jié)構(gòu)中只有常量池的容量計數(shù)是從 1 開始，其他都是從 0 開始。

常量池中主要存放兩大類常量：字面量和符號引用。字面量比較接近 Java 語言層面的常量概念，如文本字符串、被聲明為 final 的常量值等。而符號引用則屬于編譯原理方面的概念，主要包括下面幾類常量：

• 被模塊導(dǎo)出或開放的包（Package）

• 類和接口的全限定名（Fully Qualified Name）

• 字段的名稱和描述符（Descriptor）

• 方法的名稱和描述符

• 方法句柄和方法類型（Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic）

• 動態(tài)調(diào)用點和動態(tài)常量（Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant）

Java 會在虛擬機加載 Class 文件的時候進行動態(tài)連接，將符號引用轉(zhuǎn)換為真正的內(nèi)存入口。常量池中每一項常量都是一個表，最初有 11 種結(jié)構(gòu)不同的表結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，后來為了更好地支持動態(tài)語言調(diào)用，額外增加了 4 種動態(tài)語言相關(guān)的常量，后來為了支持 Java 模塊化，又加入了 2 個常量，所以截止 JDK13，常量表中有 17 種不同類型的常量。這 17 類表都有一個共同的特點，表結(jié)構(gòu)起始的第一位是個 u1 類型的標(biāo)志位（tag）

17 種常量類型所代表的具體含義如表：

四，訪問標(biāo)志

常量池結(jié)束之后，緊接著的 2 個字節(jié)代表訪問標(biāo)志（access_flags），這個標(biāo)志用于標(biāo)識一些類或者接口層次的訪問信息，包括這個 Class 是類還是接口；是否定義為 public 類型；是否定義為 abstract 類型；如果是類的話，是否被聲明為 final 等等。具體的標(biāo)志位以及標(biāo)志的含義如表：

access_flags 中一共有 16 個標(biāo)志位可以使用，當(dāng)前只定義了其中 9 個，沒有使用到的標(biāo)志位要求一律為零。

五，類索引、父類索引與接口索引集合

類索引（this_class）、父類索引（super_class）和接口索引（interfaces）都按順序排列在訪問標(biāo)志之后，類索引和父類索引用兩個 u2 類型的索引值表示，而接口索引是一組 u2 類型的數(shù)據(jù)的集合。

類索引用于確定該類的全限定名，父類索引確定該類的父類的全限定名，由于 Java 不允許多繼承，因此父類索引只有一個，Object 類的父類索引為 0。類索引和父類索引各自指向一個 CONSTANT_Class_info 的類描述符常量，通過這個索引值可以找到定義在 CONSTANT_Utf8_info 類型的常量中的全限定名字符串。

對于接口索引集合，入口的第一項 u2 類型的數(shù)據(jù)為接口計數(shù)器（interfaces_count），表示索引表的容量，如果該類沒有實現(xiàn)任何接口，則該計數(shù)器的值為 0，后面接口的索引表不再占用任何字節(jié)。

六，字段表集合方法表集合

字段表集合（field_info）用于描述接口或類中聲明的變量，包括類級變量以及實例級變量，但不包括在方法內(nèi)部聲明的局部變量。字段包含待信息有字段的作用域（public、private、protected）、是實例變量還是類變量（static）、可變性（final）等等。這些信息要么有，要么沒有，很適合用標(biāo)志位來表示，而字段叫什么，被定義為什么數(shù)據(jù)類型，這些都無法固定，只能用常量池中的常量來描述。

字段表結(jié)構(gòu)如下：

access_flags 用來標(biāo)識字段修飾符（public、static、final、volatile ...），name_index 和 descriptor_index 都是對常量池的引用，分別代表字段的簡單名稱以及字段和方法的描述符。之后的是屬性表集合，用于存儲一些額外信息。

字段表集合不會列出從父類或父接口繼承而來的字段，但有可能出現(xiàn)原本 Java 代碼中沒有的字段，例如內(nèi)部類為了保持對外部類的訪問性，編譯器會自動添加指向外部類實例的字段。

方法表集合與字段表集合幾乎完全一致，僅在標(biāo)志和屬性表集合的可選項中有所區(qū)別。至于方法里面的代碼，則經(jīng)編譯后存放在方法屬性表集合中一個名為 Code 的屬性里面。

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