jvm随笔7-class类文件的结构

class文件是一组以8字节为基础单位的2进制流，其储存内容全为必要数据，没有空隙。若数据大于8字节，按照类似大端的方式，以高低低高的原则进行数据存放。
class文件中使用一种类c的数据结构，此结构只有两种数据类型，无符号数与表。

• 无符号数有u1、u2、u4、u8四种类型分别代表1、2、4、8字节的无符号数。
• 表由无符号数和其他表作为数据项的复合数据类型，表习惯以“_info”结尾。class文件的本质就是一张表

class文件排布格式：

类型	名称	数量
u4	magic(魔数)	1
u2	minor_version(次版本号)	1
u2	major_version(主版本号)	1
u2	constant_pool_count(常量池容量)	1
cp_info	constant_pool(常量池)	constant_pool_coun-1
u2	access_flags()	1
u2	this_class()	1
u2	super_class()	1
u2	interfaces_count()	1
u2	interfaces()	interfaces_count-1
u2	fields_count()	1
field_info	fields()	fields_count-1
u2	methods_count()	1
method_info	methods()	methods_count-1
u2	attributes_count()	1
attribute_info	attributes()	attributes_count-1

1.魔数

class文件开头的四个字节是一个四字节数，四个字节为8个二进制数，0xCAFEBABE，用于确定这个文件是否为能被虚拟机接收的class文件，使用魔数而不用拓展名是出于安全考虑。

2.次版本号与主版本号

接下来四个字节为次版本号与主版本号，先次后主，每个两字节。次版本号代表主版本的不同版本，主版本号从45（JDK1.1）开始，后每次加一。JDK为高版本向下兼容，虚拟机会根据主版本号拒绝执行超过其版本的class文件。

3.常量池

3.1 常量池容量：

常量池作为class文件的资源仓库，且资源量不固定，所以接下来的两个字节表示常量池的大小，表示常量池的资源个数。
而常量池资源数量计数比较特殊，从1开始而不是0，若常量池容量为十进制22，则表示常量个数为21个（索引为1-21），把0空出来是为了用来表示特殊情况（不引用任何一个常量池项目）。

3.2 常量池

常量描述：
常量次主要存放两类常量：字面量和符号引用。

• 字面量：类似常量的字面意思，如文本符号串，声明了final的常量值等。

• 符号引用

  • 类和接口的全限定名
  • 字段的名称和描述符
  • 方法的名称和描述符

Java不像c有连接的步骤，只会在虚拟机加载class文件时进行动态连接，所以class不保存字段与方法的内存布局（因为暂时用不到），只会在虚拟机运行时从常量池中获得符号引用，再在类创建或运行时翻译到具体内存地址中。

在Jdk1.7之前有11种结构不同的表结构数据，JDK1.7之后又引入了三种，此处不详细阐述各种项目类型。

项目结构：
进入常量池后，首先是一个1字节的数据，它是常量的标志，表示常量是那种类型，由这个标记确定后面的数据是那种表，紧接着就是这个常量的具体内容（内容排布由标志确定的表结构来确定），在这个常量内容结束以后紧接着就是下一个常量的标志，如此一直到所有常量完毕。（具体有哪些表结构及标志对应关系可查看《深入理解jvm》p169-p172）。

4.访问标志

两个字节大小，一共16位，其中八个位用于使用，标识其是否定义为public类型，是否定义为abstract类型，若是类，是否声明为final，还用于标识其是不是接口，由用户代码产生，是不是注解，是不是枚举。共八种，有这两个字节对应的八个位来标识。

5.类索引，父类索引，接口索引集合

索引都是一个u2类型的数据，通过这个数据可以找到定义在常量池中的全限定名字符串数据，类索引表示当前类的全限定名，由于Java是单继承多实现的，只有一个父类索引，而接口索引是一个集合。
这些索引在class中的排布是先类索引，再父类索引，然后有2字节长度的无符号数表明有多少个接口索引，然后就是对于数量个接口索引，按照写的时候从左到右的顺序排布

6.字段表集合

用于描述接口或类中变量（不包括方法中的局部变量）

类型	名称	数量
u2	access_flags	1
u2	name_index	1
u2	descriptor_index	1
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count-1

变量构造：各种修饰符 数据类型 字段名称 额外信息（属性表集合）

• 字段修饰符在属性access_flags中长度为2字节，类似访问标志，每个位代替一种修饰符是不是被使用了，这里共有九种描述符来修饰变量（public，private，protected，static，final，volatile，transient，synthetic，enum），所以使用两个字节中的九位。
• 数据类型（可能是类名）与字段名称（自定义）都是存在多种变化的，所以都是一个u2数据（name_index和descriptor_index），均代表一个索引，指向常量池中的其对应的简单名称（字段名称），描述符（数据类型）。
• 额外信息则使用属性表集合储存（比如变量使用了final修饰，则需要属性表集合来存储变量的值）；结构上先是一个u2的数据attributes_count代表属性表集合的长度，然后就是若干个属性表结构代表这些额外信息。

7.方法表集合

类型	名称	数量
u2	access_flags	1
u2	name_index	1
u2	descriptor_index	1
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count-1

方法构造：各种修饰符 返回数据类型 方法名（参数） 额外信息（属性表集合）

结构上与字段表集合十分类似：

• 修饰符在属性access_flags中长度为2字节，类似访问标志，每个位代替一种修饰符是不是被使用了，这里共有12种描述符来修饰变量（public，private，protected，static，final，transient，synchronized，bridge，varargs，native，abstract，strictfp，synthetic），所以使用两个字节中的12位。
• 数据类型（返回值加参数，可能是类名）与方法名称（自定义）都是存在多种变化的，所以都是一个u2数据（name_index和descriptor_index），均代表一个索引，指向常量池中的其对应的简单名称（字段名称），描述符（数据类型）。
• 额外信息则使用属性表集合储存（比如方法的实体，就存在属性表中）；结构上先是一个u2的数据attributes_count代表属性表集合的长度，然后就是若干个属性表结构代表这些额外信息。

关于字段表与方法表中的全限定名，简单名称，描述符

• 全限定名：类或者接口的完整路径加名字（java/lang/String），为了使得全限定名连续存在时不混淆，一般全限定名都以;结尾用于区分

• 简单名称：用户为变量或者方法定义的名字

• 描述符：对应基本数据类型（byte，char，double，float，int，long，short，boolean）均使用一个大写字母来描述B，C，D，F，I，J，S，Z，用V表示void，L+全限定名表示对象（Ljava/lang/String），在表述符前面加[表示数组（int[]-->[I，int[][]-->[[I）

  • 对于字段的描述符，只需要表述变量的数据类型，使用上述表述方式即可
  • 对于方法的描述符，要描述参数及返回值，描述方式为：(参数按照顺序逐个描述)返回值描述符
    举例：void index(int i1,int[] i2,String[] i3,int i4,int i5,Char[] i5){}
    表示为：(I[I[Ljava/lang/StringII[C)V

属性表集合

前面已经出现数次，对应像字段使用final时储存信息，储存方法表编译成的字节码指令外还有很多其他的用处，包括异常，内部类列表，作为内部类时存储外部类等很多额外信息。