Class文件的結(jié)構(gòu)

Class文件是一組以8位字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進制流回季，各個數(shù)據(jù)項目嚴(yán)格按照順序緊湊地排列在Class文件之中服猪，中間沒有添加任何分隔符彬犯，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)，沒有空隙存在田炭。當(dāng)遇到需要占用8位字節(jié)以上空間地數(shù)據(jù)項時师抄，則會按照高位在前的方式分割成若干個8位字節(jié)進行存儲。

每一個 Class 文件對應(yīng)于一個如下所示的 ClassFile 結(jié)構(gòu)體教硫。

ClassFile{u4magic;u2minor_version;u2major_version;u2constant_pool_count;cp_infoconstant_pool[constant_pool_count-1];u2access_flags;u2this_class;u2super_class;u2interfaces_count;u2interfaces[interfaces_count];u2fields_count;field_infofields[fields_count];u2methods_count;method_infomethods[methods_count];u2attributes_count;attribute_infoattributes[attributes_count];}

這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叨吮，類似C語言結(jié)構(gòu)體。這個結(jié)構(gòu)體中只有兩種數(shù)據(jù)類型：無符號數(shù)和表瞬矩，后面的解析都要以這兩種數(shù)據(jù)類型為基礎(chǔ)挤安，所以這里要先介紹這兩個概念。

無符號數(shù)屬于基本的數(shù)據(jù)類型丧鸯，以u1蛤铜，u2，u4，u8來分別代表1個字節(jié)围肥，2個字節(jié)剿干，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)字穆刻、索引引用置尔、數(shù)量值或者按照UTF-8編碼構(gòu)成字符串值。

表是由多個無符號數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型氢伟，所有表都習(xí)慣性地以“_info”結(jié)尾榜轿。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)就是一張表朵锣。

下面是我的案例代碼谬盐，本章將以此代碼生成的字節(jié)碼文件作為例子來分析。

publicclassMyTest2{? ? String str ="Welcome";privateintx =5;publicstaticIntegerin=10;publicstaticvoidmain(String[] args){? ? ? ? MyTest2 myTest2 =newMyTest2();? ? ? ? myTest2.setX(8);in=20;? ? }publicvoidsetX(intx){this.x = x;? ? }}

對應(yīng)生成的字節(jié)碼文件格式如下：（數(shù)據(jù)內(nèi)容較多诚些，只是截了部分）

上面的數(shù)字是以16進制表示的飞傀。我們可以按照之前的結(jié)構(gòu)一項項去解讀它。

Class文件解析

magic

魔數(shù)诬烹，u4類型的數(shù)據(jù)砸烦，占4個字節(jié)。魔數(shù)的唯一作用是確定這個文件是否為一個能被虛擬機所接受的 Class 文件绞吁。魔數(shù)值固定為?0xCAFEBABE?（咖啡寶貝）幢痘，不會改變。

minor_version家破、major_version

緊接著魔數(shù)之后的4個字節(jié)為Java版本信息：第5和第6個字節(jié)是次版本號（minor_version）颜说，第7和第8個字節(jié)是主版本號（major_version）。

就看當(dāng)前這個字節(jié)碼员舵，次版本號是0×0000=0脑沿，主版本號是0×0034=52藕畔。我本地機器用的是JDK1.8马僻，所以可生成的Class文件主版本號最大值為52.0。

下面給出了Java各個主版本號注服，以供參考韭邓。

constant_pool_count

常量池計數(shù)器，u2類型的數(shù)據(jù)溶弟。它是常量池的入口女淑，表示緊跟著它后面的常量池的元素個數(shù)。算一下辜御，0x002F=47鸭你，即常量池里的元素有47個。這里我用jdk的內(nèi)置工具javap，反編譯一下袱巨，可以輸出常量池的信息以及元素個數(shù)阁谆。執(zhí)行命令：javap -verbose。輸出結(jié)果如下：

Constant pool:#1= Methodref#10.#34// java/lang/Object."<init>":()V#2=String#35// Welcome#3= Fieldref#5.#36// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.str:Ljava/lang/String;#4= Fieldref#5.#37// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.x:I#5=Class#38// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2#6= Methodref#5.#34// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2."<init>":()V#7= Methodref#5.#39// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.setX:(I)V#8= Methodref#40.#41// java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;#9= Fieldref#5.#42// com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2.in:Ljava/lang/Integer;#10=Class#43// java/lang/Object#11= Utf8? ? ? ? ? ? ? str#12= Utf8? ? ? ? ? ? ? Ljava/lang/String;#13= Utf8? ? ? ? ? ? ? x#14= Utf8? ? ? ? ? ? ? I#15= Utf8in#16= Utf8? ? ? ? ? ? ? Ljava/lang/Integer;#17= Utf8? ? ? ? ? ? ? #18= Utf8? ? ? ? ? ? ? ()V#19= Utf8? ? ? ? ? ? ? Code#20= Utf8? ? ? ? ? ? ? LineNumberTable#21= Utf8? ? ? ? ? ? ? LocalVariableTable#22= Utf8? ? ? ? ? ? ? this#23= Utf8? ? ? ? ? ? ? Lcom/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2;#24= Utf8? ? ? ? ? ? ? main#25= Utf8? ? ? ? ? ? ? ([Ljava/lang/String;)V#26= Utf8? ? ? ? ? ? ? args#27= Utf8? ? ? ? ? ? ? [Ljava/lang/String;#28= Utf8? ? ? ? ? ? ? myTest2#29= Utf8? ? ? ? ? ? ? setX#30= Utf8? ? ? ? ? ? ? (I)V#31= Utf8? ? ? ? ? ? ? #32= Utf8? ? ? ? ? ? ? SourceFile#33= Utf8? ? ? ? ? ? ? MyTest2.java#34= NameAndType#17:#18// "<init>":()V#35= Utf8? ? ? ? ? ? ? Welcome#36= NameAndType#11:#12// str:Ljava/lang/String;#37= NameAndType#13:#14// x:I#38= Utf8? ? ? ? ? ? ? com/shengsiyuan/jvm/bytecode/MyTest2#39= NameAndType#29:#30// setX:(I)V#40=Class#44// java/lang/Integer#41= NameAndType#45:#46// valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;#42= NameAndType#15:#16// in:Ljava/lang/Integer;#43= Utf8? ? ? ? ? ? ? java/lang/Object#44= Utf8? ? ? ? ? ? ? java/lang/Integer#45= Utf8? ? ? ? ? ? ? valueOf#46= Utf8? ? ? ? ? ? ? (I)Ljava/lang/Integer;

可是愉老，我們得到的常量池里的元素個數(shù)是46场绿。我們看常量池第一個元素，它的索引是從1開始的嫉入。所以索引值范圍是1~46焰盗。設(shè)計者將第0項常量空出來是有特殊考慮的，這樣做的目的在于滿足后面某些指向常量池的索引值的數(shù)據(jù)在特定情況下需要表達“不引用任何一個常量池項目”的含義咒林，這種情況就可以把索引值置為0來表示熬拒。根本原因在于，索引為0也是一個常量（保留常量）映九，只不過它不位于常量表中梦湘。這個常量就對應(yīng)Null值，所以常量池的索引從1而非0開始件甥。

常量池結(jié)構(gòu)剖析

緊接其后的就是常量池了捌议。一個Java類中定義的很多信息都是由常量池維護和描述的∫校可以將常量池看作是Class文件的資源庫瓣颅。比如：Java類中定義的方法與變量信息，都是存儲在常量池中譬正。常量池中主要存儲兩類常量：字面常量和符號引用宫补。字面量，如文本字符串曾我，Java中聲明為常量值粉怕，而符號引用如類和接口的全局限定名，字段的名稱和描述符抒巢，方法的名稱和描述符等贫贝。

注：常量池中存儲的不一定是不變的量！如蛉谜，?private int x = 5?稚晚，x是變量，但“x”這個變量名字依然存在常量池中型诚。

我們也可以把常量池當(dāng)做一個數(shù)組（常量池中的每一項常量都是一個表）客燕，與一般數(shù)組不同的是，常量池數(shù)組中不同的元素類型狰贯，結(jié)構(gòu)都是不同的也搓，長度當(dāng)然也不相同赏廓；但是每一個元素的第一個數(shù)據(jù)都是u1類型，該字節(jié)是個標(biāo)志位傍妒，占一個字節(jié)楚昭。JVM在解析長量池時，會根據(jù)這個u1類型來獲取元素的具體類型拍顷。目前抚太，常量池中出現(xiàn)的常量類型有14種，如下表：

有了這張表就可以繼續(xù)剖析常量池的內(nèi)容了昔案，常量池第一個字節(jié)就是一個標(biāo)志位尿贫，0x000A=10，說明第一個常量類型是CONSTANT_Methodref_info踏揣。這是一個表類型庆亡，它對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是：

CONSTANT_Methodref_info{u1tag;u2class_index;u2name_and_type_index;}

可知，該類型常量占1+2+2=5個字節(jié)捞稿。所以我們從常量池前5個字節(jié)就是第一個常量元素了又谋。緊接后面就是第二個常量，同樣的娱局，開始是一個標(biāo)志位彰亥，即0x008=8∷テ耄可知任斋，第二個常量是CONSTANT_String_info類型。CONSTANT_String_info 用于表示?java.lang.String?類型的常量對象耻涛，格式如下：

CONSTANT_String_info{u1tag;u2string_index;}

所以常量池的第二個元素占3個字節(jié)废酷。按照這個套路，我們就可以找出每一個常量了抹缕。一直數(shù)到第46個常量澈蟆，常量池就結(jié)束了。此處是常量池中的?14種常量項的結(jié)構(gòu)總表?卓研。感興趣的可以對照這個表趴俘，去把剩下的常量對照出來。

常量項分析

第一個常量是CONSTANT_Methodref_info類型的鉴分，它描述了類中方法的符號引用哮幢。class_index 項的值必須是對常量池的有效索引带膀，常量池在該索引處的項必須是CONSTANT_Class_info結(jié)構(gòu)志珍，表示一個類或接口。

class_index表示的索引值是0x000A=10垛叨。根據(jù)之前?javap -verbose??輸出的常量池信息伦糯，我們可以知道常量池的#10項是CONSTANT_Class_info類型的常量柜某。該類型常量用于表示類或接口，格式如下：

CONSTANT_Class_info{u1tag;u2name_index;}

name_index 項的值敛纲，必須是對常量池的一個有效索引喂击。常量池在該索引處的項必須是CONSTANT_Utf8_info結(jié)構(gòu)，代表一個有效的類或接口二進制名稱的內(nèi)部形式淤翔。

name_index 表示的索引值是43（這里我直接從上面的量池信息讀出翰绊，如果從字節(jié)碼里看，此處的值為0x002B=43）旁壮。所以接著找常量池第43項的常量類型监嗜，是CONSTANT_utf8_info類型，用于表示字符串常量的值抡谐，結(jié)構(gòu)如下：

CONSTANT_Utf8_info{u1tag;u2length;u1bytes[length];}

其中裁奇，length 項的值指明了 bytes[]數(shù)組的長度，bytes[]是表示字符串值的byte數(shù)組麦撵。在這里刽肠，我把字節(jié)碼常量池中#43處常量的16進制值單獨拿出來來看。下圖有背景色的部分就是完整的CONSTANT_Utf8_info類型常量表示免胃。

第一個字節(jié)是標(biāo)志位音五，0×0001=1。說明此常量類型是CONSTANT_Utf8_info羔沙。后面2個字節(jié)是0×0010=16放仗，表示后面bytes[]長度為16。所以往后數(shù)16個字節(jié)就是整個它表示的字符串常量撬碟。

bytes[]第一個字節(jié)值诞挨，0x006A。根據(jù)?ASCII碼對照表?呢蛤，代表的字符串是”j”惶傻。依次的，第二個字節(jié)0×0061其障，代表“a”银室，等等。把16個字節(jié)看完你就得到了字符串常量表示“java/lang/Object”励翼。好了這表示一個類的全限定名蜈敢。饒了一大圈，終于找到最終要表示的常量信息了汽抚。

到此抓狭，我們把第一個常量的結(jié)構(gòu)中的class_index就解析完了，還剩一個name_and_type_index造烁。它表示了常量池在該索引處的項必須是 CONSTANT_NameAndType_info結(jié)構(gòu)否过，它表示當(dāng)前字段或方法的名字和描述符午笛。后面大家可以根據(jù)?常量池中的14種常量項的結(jié)構(gòu)總表?，并結(jié)合javap得到的常量池信息苗桂，自己去分析每個常量在常量池里是怎么個回事药磺。

總結(jié)

這篇文章介紹了，字節(jié)碼文件的結(jié)構(gòu)組成煤伟，并分析了魔數(shù)癌佩、次主版本號和常量池。尤其帶大家深入分析了常量池的組成結(jié)構(gòu)便锨，并拿例子中的常量池第一個常量作為案例驼卖，完整解析它在常量池中的各項引用。套路都是一樣的鸿秆，常量池后面的常量酌畜，大家可以自己去分析了。你會發(fā)現(xiàn)類中有用的信息都存在了我們的常量池里卿叽，然后以索引的形式桥胞，給代碼使用。這也就是常量池作為class文件的資源倉庫的原因了考婴。

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