什么是Class文件唠粥？

在Java剛剛誕生的時(shí)候就提出了一個(gè)非常著名的口號(hào)：“一次編寫胡嘿，到處運(yùn)行蛉艾。（Write Once，Run Anywhere）”衷敌。為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)性勿侯，各種不同平臺(tái)的虛擬機(jī)都統(tǒng)一使用一種程序儲(chǔ)存格式，就是字節(jié)碼（ByteCode）缴罗。它就以二進(jìn)制字節(jié)流的方式被存放在Class文件中助琐，其中包含了Java虛擬機(jī)指令集和符號(hào)表以及其他輔助信息。

為什么需要了解Class文件結(jié)構(gòu)面氓？

一般對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分享難免比較枯燥兵钮，但是了解Class文件結(jié)構(gòu)是了解Java虛擬機(jī)的重要基礎(chǔ)之一。如果想比較深入地了解Java虛擬機(jī)舌界，那么Class文件結(jié)構(gòu)是不能不接觸的掘譬。我會(huì)力求在保證邏輯準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，盡量通俗易懂地分享呻拌，并結(jié)合實(shí)際案例葱轩。

Class文件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

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)格按照順序準(zhǔn)確地排列在Class文件中藐握，中間沒有任何分隔符靴拱。當(dāng)遇到8位字節(jié)以上的數(shù)據(jù)時(shí)，就按照高位在前的方式（最高位字節(jié)在地址最低位猾普、最低位字節(jié)在地址最高位的順序儲(chǔ)存）分割成多個(gè)8位字節(jié)儲(chǔ)存缭嫡。

Class文件格式采用一種類似于C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來(lái)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的，這種偽結(jié)構(gòu)有兩種數(shù)據(jù)類型：無(wú)符號(hào)數(shù)和表抬闷。

無(wú)符號(hào)數(shù)用u1、u2耕突、u4笤成、u8分別代表1個(gè)字節(jié)、2個(gè)字節(jié)眷茁、4個(gè)字節(jié)和8個(gè)字節(jié)的無(wú)符號(hào)數(shù)炕泳，可以用來(lái)描述數(shù)字、索引引用上祈、數(shù)量值或者UTF-8編碼構(gòu)成的字符串值培遵。

表是由多個(gè)無(wú)符號(hào)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)類型浙芙，所有的表都習(xí)慣地以“_info”結(jié)尾。表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和樹很類似籽腕，無(wú)符號(hào)數(shù)相當(dāng)于它的葉子節(jié)點(diǎn)嗡呼，其他的表相當(dāng)于它的子節(jié)點(diǎn)。整個(gè)Class文件就本質(zhì)上也是一個(gè)表皇耗，具體結(jié)構(gòu)如下：

image.png

可以發(fā)現(xiàn)南窗，無(wú)論是無(wú)符號(hào)數(shù)還是表，當(dāng)需要描述同一種類型又?jǐn)?shù)量不定的多條數(shù)據(jù)時(shí)郎楼，就會(huì)用一個(gè)前置的計(jì)數(shù)器加幾個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)項(xiàng)的方式万伤，這個(gè)時(shí)候我們就把這種一系列連續(xù)的某種類型的數(shù)據(jù)叫做這個(gè)類型的集合。

在Class文件中呜袁，無(wú)論是順序還是數(shù)量敌买，甚至是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的字節(jié)序，都必須嚴(yán)格按照上面表格進(jìn)行設(shè)定阶界，哪個(gè)字節(jié)代表什么含義虹钮，長(zhǎng)度是多少，先后順序怎么樣荐操，都不允許改變芜抒。接下來(lái)看一下各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的具體含義。

魔數(shù)

魔數(shù)（Magic Number）是每個(gè)Class文件的前4個(gè)字節(jié)托启，它用來(lái)確定當(dāng)前文件是否是一個(gè)被Java虛擬機(jī)所接受的Class文件宅倒。很多文件存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中都使用了魔數(shù)進(jìn)行身份識(shí)別，比如gif屯耸、jpeg等圖片文件中都有魔數(shù)拐迁。使用魔數(shù)而不使用擴(kuò)展名是出于安全考慮，因?yàn)閿U(kuò)展名更容易被修改疗绣。文件格式制定者可以自主選擇魔數(shù)线召，只要這個(gè)魔數(shù)沒有被廣泛使用又不和其他文件混淆就可以。

Class文件的魔數(shù)是：0xCAFEBABE多矮，這個(gè)魔數(shù)在Java還被稱為“Oak”語(yǔ)言的時(shí)候就確定下來(lái)了缓淹，據(jù)Java開發(fā)小組最初的關(guān)鍵成員Patrick Naughton說(shuō)：“我們一直在尋找一些好玩的、容易記憶的東西塔逃，選擇0xCAFEBABE是因?yàn)樗笳髦Х绕放芇eet's Coffee中深受歡迎的Baristas咖啡”讯壶，他們是真的很喜歡喝咖啡啊，可能也預(yù)示著日后“Java”這個(gè)名字的出現(xiàn)湾盗。

為了更快的理解伏蚊，我準(zhǔn)備了一個(gè)實(shí)際案例，一段非常簡(jiǎn)單的Java代碼：

public class OneMoreStudy {
    private int number;

    private int plusOne() {
        return number + 1;
    }
}

使用JDK 1.7把這段代碼編譯成Class文件格粪，用HexEd打開躏吊，就可以到魔數(shù)了氛改，如下圖：

image.png

在接下來(lái)的分享中，也會(huì)經(jīng)常使用這個(gè)Class文件比伏。

次版本號(hào)和主版本號(hào) 緊跟著魔數(shù)的第5和第6個(gè)字節(jié)是次版本號(hào)（Minor Version）胜卤，第7和第8個(gè)字節(jié)是主版本號(hào)（Major Version）。Java的主版本號(hào)是從45開始的凳怨，從JDK 1.1以后每個(gè)JDK大版本發(fā)布主版本號(hào)都加1瑰艘，高版本的JDK向下兼容低版本的Class文件，但不能運(yùn)行更高版本的Class文件肤舞，即使Class文件的格式?jīng)]有發(fā)生任何變化紫新，Java虛擬機(jī)也會(huì)拒絕運(yùn)行超過(guò)其版本號(hào)的Class文件。

再來(lái)看一下之前的Class文件例子：

image.png

表示次版本號(hào)的第5和第6個(gè)字節(jié)值為0x0000李剖，表示主版本號(hào)的第7和第8個(gè)字節(jié)值為0x0033芒率，也就是十進(jìn)制的51，說(shuō)明這個(gè)Class文件可以被JDK 1.7及其以上版本的Java虛擬機(jī)運(yùn)行篙顺。

常量池 緊跟著主版本號(hào)的就是常量池偶芍，它可以理解為Class文件的資源倉(cāng)庫(kù)，也是Class文件結(jié)構(gòu)中與其他數(shù)據(jù)項(xiàng)關(guān)聯(lián)最多的數(shù)據(jù)類型德玫。因?yàn)樵诔Ａ砍刂械某Ａ繑?shù)量是不固定的匪蟀，所以首先有一個(gè)u2類型的數(shù)據(jù)，表示常量池容量大性咨（constant_pool_count）材彪。

常量池的容量計(jì)數(shù)不是從0開始的，而是從1開始的琴儿，這是因?yàn)?有它的特殊用用途段化，那就是為了表達(dá)在特殊情況下需要表達(dá)“不引用任何一個(gè)常量池項(xiàng)目”的含義。在Class文件結(jié)構(gòu)中只有常量池的容量計(jì)數(shù)是從1開始的造成，對(duì)于其他集合显熏，包括接口索引集合、字段集合晒屎、方法集合等的容量計(jì)數(shù)都是從0開始的喘蟆。

再來(lái)看一下之前的Class文件例子：

image.png

常量池容器計(jì)數(shù)值為0x0013，也就是十進(jìn)制的19鼓鲁，它表示常量池中有18個(gè)常量履肃，索引值范圍從1到18。

常量池中主要存儲(chǔ)兩種常量：字面量（Literal）和符號(hào)引用（Symbolic References）坐桩。字面量比較接近Java語(yǔ)言層面的常量，比如文本字符串封锉、聲明為final的常量值绵跷。符號(hào)引用則是編譯原理層次的概念膘螟，它包括以下三種：

1.類和接口的全限定名

2.字段的名稱和描述符

3.方法的名稱和描述符

常量池中每一個(gè)常量都是一個(gè)表，共有14種不同的常量類型（JDK1.7及之前版本）碾局，每一種類型的表在第一位都有一個(gè)u1類型的標(biāo)志位荆残，具體如下表：

image.png

有個(gè)一個(gè)專門分析Class文件字節(jié)碼的工具javap，我們用它直接看一下之前的Class文件例子里的18個(gè)常量（常量池以外的信息已省略）：

E:\>javap -verbose OneMoreStudy
  Compiled from "OneMoreStudy.java"
  minor version: 0
  major version: 51
Constant pool:
   #1 = Methodref     #4.#15     // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref      #3.#16     // OneMoreStudy.number:I
   #3 = Class         #17        // OneMoreStudy
   #4 = Class         #18        // java/lang/Object
   #5 = Utf8          number
   #6 = Utf8          I
   #7 = Utf8          <init>
   #8 = Utf8          ()V
   #9 = Utf8          Code
  #10 = Utf8          LineNumberTable
  #11 = Utf8          plusOne
  #12 = Utf8          ()I
  #13 = Utf8          SourceFile
  #14 = Utf8          OneMoreStudy.java
  #15 = NameAndType   #7:#8       // "<init>":()V
  #16 = NameAndType   #5:#6       // number:I
  #17 = Utf8          OneMoreStudy
  #18 = Utf8          java/lang/Object

其中净当，有一些常量好像在代碼里沒有出現(xiàn)過(guò)内斯，如“I”、“”像啼、“Code”俘闯、“LineNumberTable”、“SourceFile”忽冻。它們其實(shí)自動(dòng)生成的真朗，是后面要分享的字段表、方法表僧诚、屬性表引用到的遮婶，用于描述一些不方便使用“固定字節(jié)”進(jìn)行表達(dá)的內(nèi)容。

訪問(wèn)標(biāo)志 緊跟著常量池的2個(gè)字節(jié)表示訪問(wèn)標(biāo)志（access_flags）湖笨，它用于識(shí)別一些類或接口層次的訪問(wèn)信息旗扑，具體見下表：

image.png

其中，ACC_SUPER在JDK 1.0.2之后編譯出來(lái)的Class文件必須為true慈省；ACC_ABSTRACT對(duì)于接口或抽象類來(lái)說(shuō)為true臀防，其他類為false。

之前的例子OneMoreStudy是一個(gè)普通的類辫呻，不是接口清钥、注解或枚舉，只被public修飾放闺，沒有被聲明為final或abstract祟昭，而且是JDK 1.7編譯的，所以只有ACC_PUBLIC和ACC_SUPER為true怖侦，所以它的訪問(wèn)標(biāo)志應(yīng)該是0x0001 | 0x0020 = 0x0021篡悟，如下圖：

image.png