Class文件结构

1、概述

Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件中，中间没有添加任何分隔符，这使得整个Class文件中存储的内容几乎全部都是程序运行的必要数据。

根据Java虚拟机规范的规定，Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储，这种伪结构中只有两种数据类型：无符号数和表。

无符号数:属于基本数据类型，以u1、u2、u4、u8来分别代表1、2、4、8个字节的无符号数。无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码的字符串值。

表:是由多个无符号数或其他表作为数据项构成的符合数据类型，所有的表都习惯性地以“_info”结尾。

整个Class文件本质就是一张表。

接下来后来看看Class文件中按照严格的顺序排列的字节流都具体包含些什么数据：

有一点我们需要注意，比如cp_info，cp_info表示常量池，上图中用constant_pool[constant_pool_count-1]的方式来表示常量池有constant_pool_count-1个常量，它这里是采用数组的表现形式，但是大家不要误以为所有的常量池的常量长度都是一样的，其实这个地方只是为了方便描述采用了数组的方式，但是这里并不像编程语言那里，一个int型的数组，每个int长度都一样。明确了这一点以后，我们在回过头来看看上图中每一项都具体代表了什么含义。

下面首先给出一段简单的Java程序，以这段代码编译成的Class文件为基础进行Class文件结构的介绍，代码如下：

[java] view plain copy

1. public class TestClass{    
2.     private int num;    
3.         
4.     public int inc(){    
5.         for(int i=0; i<10; i++){    
6.             num = i;    
7.         }    
8.         return num;    
9.     }    
10.         
11.     public static void main(String[] args){    
12.         new TestClass().inc();    
13.     }    
14.         
15. }   

把代码编译成Class文件后，使用16进制编辑器WinHex打开这个Class文件，可以看到Class的内部结构如下：

2、魔数与Class文件的版本

Class文件格式表中，第一项为一个u4类型的名为magic的数据项。这是因为每个Class文件的头4个字节称为魔数（Magic Number），它的唯一作用就是用来确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。很多文件存储标准中都使用魔数来进行身份识别。例如图片格式。使用魔数而不是扩展名来进行识别主要是基于安全考虑，因为文件扩展名可以很随便地被人为改动。Class文件的魔数的值为：0xCAFFBABE。class文件魔数值如下图所示：
 

紧接着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号：第5和第6字节是次版本号（Minor Version），第7个和第8个字节是主版本号（Major Version）。

上图代表版本号的第5个字节和第6个字节值为0x0000，而主版本号的值为0x0032，即十进制的50

3、常量池
紧接着主次版本号之后的是常量池入口，常量池是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据类型。常量池之中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic Reference）。字面量比较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了下面三类常量：
   1.类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
   2.字段的名称和描述符（Descriptor）
   3.方法的名称和描述符。
 
使用Javap命令输出常量表:

[java] view plain copy

1. <span style="font-size:14px;">D:\JVM>javap -verbose TestClass    
2. Compiled from "TestClass.java"    
3. public class TestClass extends java.lang.Object    
4.   SourceFile: "TestClass.java"    
5.   minor version: 0    
6.   major version: 50    
7.   Constant pool:    
8. const #1 = Method       #6.#20; //  java/lang/Object."<init>":()V    
9. const #2 = Field        #3.#21; //  TestClass.num:I    
10. const #3 = class        #22;    //  TestClass    
11. const #4 = Method       #3.#20; //  TestClass."<init>":()V    
12. const #5 = Method       #3.#23; //  TestClass.inc:()I    
13. const #6 = class        #24;    //  java/lang/Object    
14. const #7 = Asciz        num;    
15. const #8 = Asciz        I;    
16. const #9 = Asciz        <init>;    
17. const #10 = Asciz       ()V;    
18. const #11 = Asciz       Code;    
19. const #12 = Asciz       LineNumberTable;    
20. const #13 = Asciz       inc;    
21. const #14 = Asciz       ()I;    
22. const #15 = Asciz       StackMapTable;    
23. const #16 = Asciz       main;    
24. const #17 = Asciz       ([Ljava/lang/String;)V;    
25. const #18 = Asciz       SourceFile;    
26. const #19 = Asciz       TestClass.java;    
27. const #20 = NameAndType #9:#10;//  "<init>":()V    
28. const #21 = NameAndType #7:#8;//  num:I    
29. const #22 = Asciz       TestClass;    
30. const #23 = NameAndType #13:#14;//  inc:()I    
31. const #24 = Asciz       java/lang/Object;    
32.     
33. {    
34. public TestClass();    
35.   Code:    
36.    Stack=1, Locals=1, Args_size=1    
37.    0:   aload_0    
38.    1:   invokespecial   #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V    
39.    4:   return    
40.   LineNumberTable:    
41.    line 1: 0    
42.     
43.     
44. public int inc();    
45.   Code:    
46.    Stack=2, Locals=2, Args_size=1    
47.    0:   iconst_0    
48.    1:   istore_1    
49.    2:   iload_1    
50.    3:   bipush  10    
51.    5:   if_icmpge       19    
52.    8:   aload_0    
53.    9:   iload_1    
54.    10:  putfield        #2; //Field num:I    
55.    13:  iinc    1, 1    
56.    16:  goto    2    
57.    19:  aload_0    
58.    20:  getfield        #2; //Field num:I    
59.    23:  ireturn    
60.   LineNumberTable:    
61.    line 5: 0    
62.    line 6: 8    
63.    line 5: 13    
64.    line 8: 19    
65.     
66.   StackMapTable: number_of_entries = 2    
67.    frame_type = 252 /* append */    
68.      offset_delta = 2    
69.      locals = [ int ]    
70.    frame_type = 250 /* chop */    
71.      offset_delta = 16    
72.     
73.     
74. public static void main(java.lang.String[]);    
75.   Code:    
76.    Stack=2, Locals=1, Args_size=1    
77.    0:   new     #3; //class TestClass    
78.    3:   dup    
79.    4:   invokespecial   #4; //Method "<init>":()V    
80.    7:   invokevirtual   #5; //Method inc:()I    
81.    10:  pop    
82.    11:  return    
83.   LineNumberTable:    
84.    line 12: 0    
85.    line 13: 11    
86.     
87.     
88. }  </span>  

4 访问标志
   在常量池结束之后，紧接着的两个字节代表访问标志（access_flags），这个标志用于识别一些类或接口层次的访问信息，包括：这个Class是接口还是类；是否定义为public类型；是否定义为abstract类型；如果是类的话，是否声明为final，等等。
 
5 类索引、父类索引与接口索引集合
   类索引（this_class）和父类索引（super_class）都是一个u2类型的数据，而接口索引集合（interfaces）是一组u2类型的数据的集合，Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系。类索引用于确定这个类的全限定名，父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。Java不允许多重继承，所以父类索引只有一个，除了java.lang.Object外，所有Java类的父类索引都不为0。接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口，所有被实现的接口按类定义中的implements（如果类是一个接口则是extends）后的接口顺序从左到右排列在接口的索引集合中。
 
6 字段表集合
   字段表（field_info）用于描述接口或类中声明的变量。字段（field）包括了类级变量和实例级变量，但不包括方法内部声明的变量。一个字段的信息包括：作用域（public、private、protected修饰符）、是实例变量还是类变量（static修饰符）、可变性（final）、并发可见性（volatile修饰符，是否强制从主内存读写）、可否序列化（transient修饰符）、字段数据类型（基本数据类型、对象、数组）、字段名称。这些信息中，各个修饰符都是布尔值，要么有，要么没有。
   全限定名称：如果TestClass类是定义在com.chenzhou.jvm包中，那么这个类的全限定名为com/chenzhou/jvm/TestClass。
   简单名称：简单名称指没有类型和参数修饰的方法或字段名称，在上面的例子中，TestClass类中的inc()方法和num字段的简单名称分别为“inc”和“num”。
   描述符：描述符的作用是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表（包括数量、类型以及顺序）和返回值。根据描述符规则，基本数据类型（byte,char,double,float,int,long,short,boolean）及代表无返回值的void类型都用一个大写字符来表示，而对象则用字符L加对象的全限定名来表示，如下图所示：

7 方法表集合
    Class文件存储格式中对方法的描述与对字段的描述几乎完全一致。方法表的结构如同字段表一样，一次包括了访问标志、名称索引、描述符索引、属性表集合几项。
 
8 属性表集合
    Java虚拟机规范第二版中预定义了9项虚拟机应当能识别的属性，包括：Code、ConstantValue、Deprecated、Exceptions、InnerClasses、LineNumberTable、LocalVariableTable、SourceFile、Synthetic。

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