Class文件结构 学习笔记

参考《深入理解Java虚拟机》

Class文件结构 学习笔记

一、 class文件产生

.java文件经javac编译生成.class文件，才能被虚拟机解析运行，class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，所以称为字节码。

二、 class文件结构

1. 整体结构

class文件采用类似C语言的结构体格式存储数据。只有两种类型：无符号整数、表。无符号整数u1、u2、u4、u8等通常用来描述索引引用或者数字的字面量。表则由多个无符号数或者其它的表组成，用以描述一种数据结构，通常以_info结尾。当描述的同一类型数据个数不定时，要提前使用一个计数器表示这个数量，因为class文件没有分隔符，所以各部长度要确定。这个class文件相当于一张表，由以下数据项构成：

假如现在有这个class文件：

使用javac编译成.class文件，使用16进制阅读器打开是这个样子的


使用jdk自带的javap打开是这个样子的：

2. magic、minor_version、major_version

1. magic，前四个字节是魔数，值为0xCAFEBABE，用以标识这个文件是class文件。
2. minor_version，接下来两个字节是小版本号，表示的是大的java版本(比如java10、java8等)下发行的小版本（比如10.0.2等）,我的jdk是10.0.2的，小版本号是0，大版本是54.
   
3. major_version，再接下来两个字节是大版本号，表示当前的jdk版本，比如我的是Java10，major_version是54。
   

3. constant_pool_count、constant_pool

接下来两个自己是常量池大小，表示常量池中常量个数。比如上面的实例中以一共有26个常量，对应在十六进制文件中是001B，也就是27，所以常量个数是constant_pool_count-1,常量池就是class文件的仓库，class文件的其它表结构几乎都是通过指向常量池的索引来描述的。
通过javap反编译的常量池可以看到constant_pool其实是由很多种类的，比如class、string、methodref、fieldref、utf8、nameAndType等等。常量池中共有14种常量项，它们的表示方法都是先通过一个tag表示自己的常量类型，再具体表示整个常量，比如CONSTANT_Utf8_info的结构如下

通过这种方法就能描述一个utf8型的常量。
表示完utf8类型之后，其它类型的常量（除了基本数据类型）的表示都是通过一个tag指定常量类型，再通过一个或者多个指向utf8的索引来拿到字符串，从而拼接出结构，比如CONSTANT_Class_info的结构如下：

比如6号常量是一个CONSTANT_Class_info型常量，它引用了25号常量，而25号常量是utf8类型，值为：”java/lang/Object“，因此就可以表示一个类。

4. access_flag

接下来两个字节是访问标志，访问标志用来表示一个类的访问信息，比如这个类是类、接口、枚举还是注解？这个类是public、private、final？由于这些信息只可能是是和否，所以可以通过标志位来表示，目前使用的标志位有8个，如下：

比如实例中声明了是public，而且是个普通的类继承自object类，因此有ACC_PUBLIC、ACC_SUPER两个标志。

5. this_class、super_class、interface_count、interface

1. 接下来两个字节是类索引this_class，指向常量池的CONSTATN_class_info，从而可以知道这个类的全限定名。
2. 再接着两个自己是父类索引super_class，也是指向常量池的CONSTATN_class_info。
3. 再接着两个字节是接口数量interface_count，是一个常量，
4. 其后的interface_count个指向常量池的CONSTATN_class_info的索引表示这个类实现的所有接口。

6. fields_count、fields_info

接下来两个字节是fields_count，表示这个类的字段个数，在接着是fields_count个的field_info结构体。field_info的结构如下：

首先两个字节是访问标志，表明字段是public、private、final?等，同样是采用标志位的表示方法，可选的标志如下：

实例中两个字段都是private的，因此标志位的两个字节都是0x0002。
再接着是两个字节的常量池索引，表示简单名称，比如字段name,指向常量池的0X0008,可以看到是字符串"name"，再接着两个字节也是指向常量池的索引，表示字段的描述符，比如name字段的描述符是常量池0X0009的常量，是” Ljava/lang/String;“，表示这是一个字符串类型的字段。在接着是attributes_count，由于是0，所以后面就没有attribute属性了。

7. methods_count、methods_info

接下来两个字节是方法数methods_count，在接着是methods_count个methods_info结构体，methods_info结构体组成与fields_info相同：

区别主要在访问标志和描述符方面，访问标志去掉了volatile和transient，添加了synchronized、native、abstract、strictfp。描述符采用(参数标识符)返回值类型标识符的表示方法，比如void inc()，其方法描述符是”()V“。
方法里面重要的是属性表，方法内的代码都是存储在一个署名表中名为code的属性中。方法描述符接下来的两个字节是属性数量（attributes_count），再接着是attributes_count个attribute_info型结构体。对于code属性，其组成如下：

max_stack是操作数栈的最大深度，java虚拟机运行时操作数据都是基于栈（操作数栈）的，这个字段表示虚拟机操作数栈不会超过这个深度。
max_locals是局部变量表所需的存储空间，单位是槽slot，slot是虚拟机为局部变量分配内粗使用的最小单位，不超过32位的局部变量占用一个槽，64位的局部变量占用两个槽。这里max_locals值并不一定是局部变量占用槽的个数之和，因为有的槽是可以重用的。
code_length表示字节码指令个数，其后跟着code_length个字节码指令，每个字节码指令占用一个字节。
之后是异常表，表示方法中产生的异常，异常表不是必须的。
具体看一下实例，实例中第一个方法，也就是构造方法，有一个属性code，长度是0x00000027，说明后面39个字节都是这个code属性的内容。max_stack是2，max_local是1（也就是this），code_length是11，也就是所后面11个自己都是这个方法的字节码指令。再往后的exception_table_length是0，说明方法没有异常抛出。所以接着两个字节是attributes_count，说明有一个attribute，这个attribute是lineNumberTable属性，其组成如下：

8. attributes_count、attributes

最后就是class文件的属性了，接着的两个字节是属性个数，说明有一个属性，属性名是0x0012，就是常量池中18号常量”SourceFile“，长度位2，内容是常量池中0x0013，也就是”Test.java“，说明这个class文件的源码是Test.java
至此，一个完整的class文件结构就分析结束了。
书中这一章后面的小节主要讲常见的一些字节码指令。