從學(xué)習(xí)Java語言的第一天起辩昆，我們就被告知與其他語言相比阅酪，Java的一大特點(diǎn)在于它的平臺無關(guān)性，即Write Once, Run Everywhere. 而構(gòu)成平臺無關(guān)性的基石就在于所有JVM都采用了字節(jié)碼作為它們的程序存儲格式卤材，因此今天主要就分析一下class文件的結(jié)構(gòu)遮斥。

知識準(zhǔn)備

在詳細(xì)分析class文件結(jié)構(gòu)之前峦失，我們需要了解一些基本概念：

• class文件以8字節(jié)為基本單位來進(jìn)行存儲扇丛，中間沒有任何分隔符；
• 當(dāng)數(shù)據(jù)項(xiàng)需要占用的空間大于8字節(jié)時尉辑，會按照高位在前的方式來進(jìn)行分割帆精；
• class文件只有兩種數(shù)據(jù)類型：無符號數(shù)、表隧魄；
• 無符號數(shù)屬于基本數(shù)據(jù)類型卓练，以u1、u2购啄、u4襟企、u8分別代表1個字節(jié)、2個字節(jié)狮含、4個字節(jié)和8個字節(jié)的無符號數(shù)顽悼；
• 表是由多個無符號數(shù)或者其它表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的符合數(shù)據(jù)類型，表名習(xí)慣性都以 _info 結(jié)尾几迄。

因此本質(zhì)上整個class文件就是一張表蔚龙，它由以下數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成：

可以看到炉菲，這16種數(shù)據(jù)項(xiàng)大致可以分為3類：

• 3個描述文件屬性的數(shù)據(jù)項(xiàng)：魔數(shù)和主次版本號
• 11個描述類屬性的數(shù)據(jù)項(xiàng)：類嗦枢、字段、方法等信息
• 2個描述代碼屬性的數(shù)據(jù)xiang：

接下來我們就逐一來看看這些數(shù)據(jù)項(xiàng)的含義峰锁。整個分析過程我們將以下面這段代碼對應(yīng)的class文件為基礎(chǔ)：

public class JavaTest {

    private static String name = "JVM";

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello " + name);
    }
}

圖1 JavaTest class文件結(jié)構(gòu).png

1.魔數(shù)與版本

每個class文件的頭4個字節(jié)稱為魔數(shù)解孙，用于確定這個文件是否能被虛擬機(jī)所接受坑填。class文件的魔數(shù)值為CAFEBABE。

第5弛姜、6字節(jié)為次版本號脐瑰，7、8字節(jié)為主版本號娱据。Java的主版本號從45開始蚪黑，JDK1.1之后每個大版本發(fā)布盅惜，主版本號加1。高版本的jdk能前向兼容之前版本的class文件忌穿，但不能運(yùn)行以后版本的class文件抒寂。

從圖1可以看到，次版本號為0000掠剑，主版本號為0031屈芜，這說明該class文件可以被1.5及以后版本的jdk運(yùn)行。

2.常量池

緊接著主版本號之后的是常量池入口朴译，由于常量池中常量數(shù)量不固定井佑，因此入口使用第一個u2類型的數(shù)據(jù)代表常量池計(jì)數(shù)值，該計(jì)數(shù)器從1開始眠寿。圖1中常量池計(jì)數(shù)值為0034躬翁，代表常量池中一共有51個常量。

常量池中每一個常量都是一個表盯拱，jdk1.7之后一共有14種類型的常量盒发，他們對應(yīng)著14個不同結(jié)構(gòu)的表，但這14個表都有一個共同特點(diǎn)：那就是表開始的第一位是一個u1類型的標(biāo)志位狡逢，代表當(dāng)前常量屬于哪種常量類型宁舰。其取值和含義如下表所示：

這14種常量的結(jié)構(gòu)如下表所示：

常量池變量結(jié)構(gòu)

有了這些基礎(chǔ)，我們繼續(xù)分析前面提到的class文件：

image.png

第一個u1類型的變量代表常量類型為0A奢浑，對應(yīng)的表為CONSTANT_Methodref_info蛮艰，表示方法引用，緊接著一個u2類型的變量000C,它表示聲明該方法的類描述符為常量池匯中的第12個常量雀彼，第二個u2類型的變量001D表示指向該方法名稱及類型的描述符為常量池中的第29個常量壤蚜。
按照同樣的方式，下圖給出了前面14個常量的字節(jié)碼详羡，其中前面12個都是指向了常量池中的其它常量仍律，第13、14個常量是兩個類型為1(即UTF-8編碼的常量)实柠，對應(yīng)的英文字符分別為name水泉、Ljava/lang/String.

前14個常量劃分.png

第13個常量.png

第14個常量.png

剩下其他常量的劃分方式是類似的，事實(shí)上窒盐，jdk已經(jīng)為我們提供了專門用于分析class文件的工具javap草则，利用javap -v JavaTest.class得到常量池中的52個常量如下，可以看到蟹漓，前面14個常量的劃分與我們之前分析的完全一致炕横。

bogon:Downloads shiyangsheng$ javap -v JavaTest.class
Classfile /Users/shiyangsheng/Downloads/JavaTest.class
  Last modified 2018-3-17; size 842 bytes
  MD5 checksum fbb2370c6b7413a0636806a0e492224a
  Compiled from "JavaTest.java"
public class com.youzan.shys.advice.JavaTest
  minor version: 0
  major version: 49
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #12.#29        // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #30.#31        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Class              #32            // java/lang/StringBuilder
   #4 = Methodref          #3.#29         // java/lang/StringBuilder."<init>":()V
   #5 = String             #33            // Hello
   #6 = Methodref          #3.#34         // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   #7 = Fieldref           #11.#35        // com/youzan/shys/advice/JavaTest.name:Ljava/lang/String;
   #8 = Methodref          #3.#36         // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
   #9 = Methodref          #37.#38        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #10 = String             #39            // JVM
  #11 = Class              #40            // com/youzan/shys/advice/JavaTest
  #12 = Class              #41            // java/lang/Object
  #13 = Utf8               name
  #14 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #15 = Utf8               <init>
  #16 = Utf8               ()V
  #17 = Utf8               Code
  #18 = Utf8               LineNumberTable
  #19 = Utf8               LocalVariableTable
  #20 = Utf8               this
  #21 = Utf8               Lcom/youzan/shys/advice/JavaTest;
  #22 = Utf8               main
  #23 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #24 = Utf8               args
  #25 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #26 = Utf8               <clinit>
  #27 = Utf8               SourceFile
  #28 = Utf8               JavaTest.java
  #29 = NameAndType        #15:#16        // "<init>":()V
  #30 = Class              #42            // java/lang/System
  #31 = NameAndType        #43:#44        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #32 = Utf8               java/lang/StringBuilder
  #33 = Utf8               Hello
  #34 = NameAndType        #45:#46        // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #35 = NameAndType        #13:#14        // name:Ljava/lang/String;
  #36 = NameAndType        #47:#48        // toString:()Ljava/lang/String;
  #37 = Class              #49            // java/io/PrintStream
  #38 = NameAndType        #50:#51        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #39 = Utf8               JVM
  #40 = Utf8               com/youzan/shys/advice/JavaTest
  #41 = Utf8               java/lang/Object
  #42 = Utf8               java/lang/System
  #43 = Utf8               out
  #44 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #45 = Utf8               append
  #46 = Utf8               (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #47 = Utf8               toString
  #48 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #49 = Utf8               java/io/PrintStream
  #50 = Utf8               println
  #51 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V

由此可見，常量池在class文件中占據(jù)了絕大部分內(nèi)容(中間用紅框框出來的就是常量池內(nèi)容)：

常量池內(nèi)容.png

3.訪問標(biāo)志

緊接著常量池之后的兩個字節(jié)表示訪問標(biāo)志葡粒，主要是用來標(biāo)記類或者接口層次的一些屬性份殿。目標(biāo)之定義了16個標(biāo)志位中的8位膜钓，沒有使用到的一律為0。 具體標(biāo)志位如下表：

顯然拾枣，對JavaTest類而言沃疮，只有ACC_PUBLIC、ACC_SUPER兩個標(biāo)志應(yīng)該為真梅肤，因此access_flags=0x0021.

4.類索引司蔬、父類索引和接口索引集合

在訪問標(biāo)志之后，有3個用來確定一個類的繼承關(guān)系的數(shù)據(jù)姨蝴，按先后順序分別是：

• 類索引：用于確定類的全限定名
• 父類索引：用于確定父類的全限定名
• 接口索引：用于描述類實(shí)現(xiàn)了哪些接口
  它們在class文件中的位置如下：

image.png

可見俊啼，類索引為11，父類索引為12似扔，接口索引集合大小為0吨些，根據(jù)前面得到的常量池搓谆，可以知道第11炒辉、12個常量為：

...
#11 = Class              #40            // com/youzan/shys/advice/JavaTest
#12 = Class              #41            // java/lang/Object
...
#40 = Utf8               com/youzan/shys/advice/JavaTest
#41 = Utf8               java/lang/Object
...

5.字段表集合

在接口索引之后是字段表集合，字段表用來描述接口或者類中聲明的變量泉手。它包括類級變量和實(shí)例級變量黔寇，但是不包括局部變量以及從父類和接口中繼承而來的字段。字段表的格式如下：

5.1字段修飾符

字段修飾符與類中的訪問標(biāo)志很類似斩萌，用來描述字段的一些屬性：

5.2全限定名

把類全路徑中的.替換為/缝裤，同時在最后加入一個;即可。

5.3簡單名稱

簡單名稱指的是沒有類型和修飾符的字段或者方法名稱颊郎。

5.4描述符

描述符用來描述字段的數(shù)據(jù)類型憋飞、方法的參數(shù)列表和返回值。其中基本類型字段的描述符用一個大寫字母來表示姆吭，而對象類型則用字符L加上對象類型的全限定名來表示榛做。具體如下表：

對于數(shù)組類型内狸，每一個維度都是用一個前置的“[”來描述检眯，如java.lang.String[][]類型的二位數(shù)組將被記錄為[[java/lang/String;

描述方法時，將按照先參數(shù)列表昆淡、后返回值的順序來描述锰瘸。其中參數(shù)列表嚴(yán)格按照參數(shù)的順序放在一組小括號()之內(nèi)。例如方法java.lang.String.toString()的描述符為()Ljava/lang/String;

了解了這幾個概念之后昂灵，我們回到JavaTest的class文件：

image.png

• fields_count=0x0001表明這個類只有一個字段表數(shù)據(jù)避凝；
• access_flags=0x000A表明ACC_PRIVATE與ACC_STATIC標(biāo)志位為1真舞萄，其它標(biāo)志位為0；
• name_index=0x000D表明字段簡單名稱為常量池中的第13個常量管削，也就是name鹏氧；
• descriptor=0x000E表明字段描述符為常量池中的第14個常量，也就是Ljava/lang/String;
• attributes_count=0x0000表明字段額外屬性個數(shù)為0佩谣；
  由此可以反過來得到該類的一個屬性為 private static String name;

6.方法表集合

對方法描述的方式與對字段描述的方式基本一致把还，方法表的結(jié)構(gòu)也與字段表的結(jié)構(gòu)完全一致，不同之處在于方法的訪問標(biāo)志與字段的訪問標(biāo)志有所區(qū)別茸俭。例如volatile與transient不能修飾方法吊履，但是方法卻有synchronized、native调鬓、strictfp和abstract等屬性艇炎。其具體訪問標(biāo)志如下：

讓我們繼續(xù)回到class文件：

6.1 第一個方法

第一個方法表結(jié)構(gòu).png

• methods_count=0x0003表明該類有3個方法；
• 第一個方法的access_flags=0x0001表明只有ACC_PUBLIC標(biāo)志位為真腾窝；
• name_index=0x000F表明方法簡單名稱為常量池中的第15個常量缀踪，也就是<init>；
• descriptor=0x0010表明方法修飾符為常量池中的第16個常量虹脯，也就是()V驴娃；
• attributes_count=0x0001表明第一個方法有一個額外屬性，且索引值就是其后的0x0011,也就是常量池中的第17個常量Code循集。
• Code屬性是該方法的具體字節(jié)碼描述唇敞。

由此得到第一個方法為public void init()，這個方法是編譯器自動添加的實(shí)例構(gòu)造器方法咒彤。

Code屬性也是class文件中最重要的一個屬性疆柔，如果把一個Java程序中的信息分為代碼(方法體里的代碼)和元數(shù)據(jù)(描述類、字段镶柱、方法的其他信息)兩部分旷档，那么Code屬性描述的就是代碼的信息，其它所有數(shù)據(jù)都用于描述元數(shù)據(jù)歇拆。由于Code數(shù)據(jù)極其重要也相對復(fù)雜鞋屈，我將在另外一篇文章中單獨(dú)介紹，這里直接給出init()方法的Code屬性在class文件中的表示(簡單來說查吊，前面4個字節(jié)0000 002F表示屬性值的長度谐区，也就是47個字節(jié)，也就是說后續(xù)47個字節(jié)都是Code屬性的內(nèi)容)：

init方法Code屬性

6.2 第二個方法

第一個方法的Code屬性后面緊跟著的是第二個方法的描述逻卖，同樣的分析方法宋列，不難得出第二個方法為public static void main(String[]);其Code屬性值的長度為0000 004A，也就是74個字節(jié)评也。

第二個方法表結(jié)構(gòu).png

main方法Code屬性.png

6.3 第三個方法

同樣炼杖，很容易得到第三個方法為static clinit void();這個方法是編譯器自動添加的類構(gòu)造器方法灭返，其Code屬性值的長度為0000 001E，也就是30個字節(jié)坤邪。

第三個方法表結(jié)構(gòu).png

clinit方法Code屬性.png

實(shí)際上熙含，這個分析與javap得到的結(jié)果也是一致的。

{
  public com.youzan.shys.advice.JavaTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/youzan/shys/advice/JavaTest;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: new           #3                  // class java/lang/StringBuilder
         6: dup
         7: invokespecial #4                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        10: ldc           #5                  // String Hello
        12: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        15: getstatic     #7                  // Field name:Ljava/lang/String;
        18: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        21: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
        24: invokevirtual #9                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        27: return
      LineNumberTable:
        line 14: 0
        line 15: 27
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      28     0  args   [Ljava/lang/String;

  static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: ldc           #10                 // String JVM
         2: putstatic     #7                  // Field name:Ljava/lang/String;
         5: return
      LineNumberTable:
        line 11: 0
}

7.屬性表集合

屬性表集合用于描述某些場景的專有信息艇纺，它一共有21個屬性怎静，屬性表結(jié)構(gòu)如下：

由于涉及屬性太多，這里也不再展開黔衡，只是簡單說明下之類的屬性代表什么意思蚓聘。從class文件可以看出，該類的屬性表集合只有一個元素盟劫，001B表示常量池中的第27個常量夜牡，也就是SourceFile，001C表示常量池中的第28個常量侣签，也就是JavaTest.java塘装，也就是說，SourceFile屬性記錄了生成這個class文件的源碼文件的名稱影所。

屬性表集合.png