java虚拟机类文件结构！

类文件指的是Java经过编译后生成的class文件。

Java虚拟机执行的是class文件而不是java文件，这也成就了Java语言的跨平台特性

1：虚拟机是无关性的基石

1.1：平台无关性

Java的响亮口号：“一次编译，到处运行 是通过虚拟机机制来实现的

各种不同平台的Java虚拟机，都支持字节码文件，这是构成平台无关性的基石。

只要将Java程序编译成为class文件，就可以在所有平台的虚拟机上执行，而无需考虑是哪种机器。

1.2：语言无关性

现在Java虚拟机的语言无关性也变得越来越重要

Java虚拟机不与包括Java语言在内的任何程序语言绑定，它只与“Class文件”这种特定的二进制文件格式所关联。

只要能够按照虚拟机规范将一个语言编译成Java虚拟机所能接受的class文件，那么Java虚拟机就能执行这个class文件，实现语言无关性的特点。

Java虚拟机丝毫不关心class的来源是什么语言

Java语言中的各种语法、关键字、常量变量和运算符号的语义最终都会由多条字节码指令组合来表达，这决定了字节码指令所能提供的语言描述能力必须比Java语言本身更加强大才行。因此，有一些Java语言本身无法有效支持的语言特性并不代表在字节码中也无法有效表达出来，这为其他程序语言实现一些有别于Java的语言特性提供了发挥空间。

语言无关性图示：

2：Class文件结构

这个知识点还没有太懂任何一个Class文件都对应着唯一的一个类或接口的定义信息[1]，但是反过来说，类或接口并不一定都得定义在文件里（譬如类或接口也可以动态生成，直接送入类加载器中）。本章中，笔者只是通俗地将任意一个有效的类或接口所应当满足的格式称为“Class文件格式”，实际上它完全不需要以磁盘文件的形式存在。

Class文件是一组以8个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文件之中，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是程序运行的必要数据，没有空隙存在。当遇到需要占用8个字节以上空间的数据项时，则会按照大端法分割成若干个8个字节进行存储。

在class文件结构中，使用到了无符号数和表两种数据结构去存储信息

无符号数： 就是基本类型那样的无符号数，以u1,u2,u4,u8来分别表示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编码构成字符串值。

表： 是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，为了便于区分，所有表的命名都习惯性地以“_info”结尾。

无论是无符号数还是表，当需要描述同一类型但数量不定的多个数据时，经常会使用一个前置的容量计数器加若干个连续的数据项的形式，这时候称这一系列连续的某一类型的数据为某一类型的“集合”。

整个Class文件本质上也可以视作是一张表，如下：

2.1:魔数（0xCAFEBABE咖啡宝贝）

每个Class文件的头4个字节被称为魔数（Magic Number），它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。

魔数来告诉虚拟机，我就是一个class文件。

2.2：Class文件的版本号

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个字节是次版本号（MinorVersion），第7和第8个字节是主版本号（Major Version）。

此例中类的主版本号为52，对应的jdk版本为jdk8。

高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但不能运行以后版本的Class文件，因为《Java虚拟机规范》在Class文件校验部分明确要求了即使文件格式并未发生任何变化，虚拟机也必须拒绝执行超过其版本号的Class文件。

2.3: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文件中第一个出现的表类型数据

由于常量池中常量的数量是不固定的，所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的数据，代表常量池容量计数值。与Java中语言习惯不同，这个容量计数是从1而不是0开始的。设计者将第0项常量空出来是有特殊考虑的，这样做的目的在于，如果后面某些指向常量池的索引值的数据在特定情况下需要表达“不引用任何一个常量池项目”的含义，可以把索引值设置为0来表示。

常量池中主要存放两大类常量：字面量和符号引用。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，主要包括下面几类常量：

• 被模块导出或者开放的包（Package）
• 类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
• 字段的名称和描述符（Descriptor）
• 方法的名称和描述符
• 方法句柄和方法类型（Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic）
• 动态调用点和动态常量（Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant）

(?)Java代码在进行Javac编译的时候，并不像C和C++那样有“连接”这一步骤，而是在虚拟机加载Class文件的时候进行动态连接（具体见第7章）。也就是说，在Class文件中不会保存各个方法、字段最终在内存中的布局信息，这些字段、方法的符号引用不经过虚拟机在运行期转换的话是无法得到真正的内存入口地址，也就无法直接被虚拟机使用的。当虚拟机做类加载时，将会从常量池获得对应的符号引用，再在类创建时或运行时解析、翻译到具体的内存地址之中。关于类的创建和动态连接的内容，在下一章介绍虚拟机类加载过程时再详细讲解。

常量表中的每一项都是一个表，有如下17种类型：

常量表中的每个常量开头都是一个u1的标志位，用来表示是哪种类型的常量。例如类或接口的符号引用类型的表结构如下：

再看一下UTF-8编码的字符串：

length表示的是后买你跟着的字节数组长度，length为u2所以length最大65535。所以Java程序中如果定义了超过64KB英文字符的变量或方法名，即使规则和全部字符都是合法的，也会无法编译。

17种常量池类型结构表

2.4：访问标志

在常量池结束之后，紧接着的2个字节代表访问标志（access_flags），这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息，包括：这个Class是类还是接口；是否定义为public类型；是否定义为abstract类型；如果是类的话，是否被声明为final；等等。

所有标志的标准值相加就能得到访问标志

2.5：类索引、父类索引与接口索引集合

类索引和父类索引都是一个u2类型的数据，而接口索引集合是一组u2类型的数据的集合。

Java种只允许继承一个父类，但是可以实现多个接口

类、父类索引示例：

接口索引：
对于接口索引集合，入口的第一项u2类型的数据为接口计数器，表示索引表的容量。后面跟着0个或多个class_info

2.6：字段表集合

字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量。包括实例字段和类字段，但是不包括局部变量

字段表结构如下：

access_flags是字段修饰符，与类修饰符十分类似，可设置的标准值如下：

name_index是常量池引用，代表的是字段名称
descriptor_index也是常量池引用，表示得到是方法的描述符

什么是描述符？
描述符就是字段的数据类型 或者是 方法的参数列表和返回值

字段的描述符如下：

如果是数组的话，就要加[，多维数组就加多个

字段表所包含的固定数据项目到descriptor_index为止就全部结束了，不过在descrip-tor_index之后跟随着一个属性表集合，用于存储一些额外的信息，字段表可以在属性表中附加描述零至多项的额外信息。对于本例中的字段m，它的属性表计数器为0，也就是没有需要额外描述的信息，但是，如果将字段m的声明改为“final static int m=123；”，那就可能会存在一项名称为ConstantValue的属性，其值指向常量123

字段表集合中不会列出从父类或者父接口中继承而来的字段，

2.7:方法表集合

方法表结构：

方法表的结构如同字段表一样，依次包括访问标志（access_flags）、名称索引（name_index）、描述符索引（descriptor_index）、属性表集合（attributes）几项

访问标志表如下，与字段的有些许不同，少了volatile多了native等

方法的代码存储在属性表的code属性中

与字段表集合相对应地，如果父类方法在子类中没有被重写（Override），方法表集合中就不会出现来自父类的方法信息。

虚拟机与Java代码的重载有何区别？
在Java语言中，要重载（Overload）一个方法，除了要与原方法具有相同的简单名称之外，还要求必须拥有一个与原方法不同的特征签名。特征签名是指一个方法中各个参数在常量池中的字段符号引用的集合，也正是因为返回值不会包含在特征签名之中，所以Java语言里面是无法仅仅依靠返回值的不同来对一个已有方法进行重载的。但是在Class文件格式之中，特征签名的范围明显要更大一些，只要描述符不是完全一致的两个方法就可以共存。也就是说，如果两个方法有相同的名称和特征签名，但返回值不同，那么也是可以合法共存于同一个Class文件中的。

2.8：属性表集合

Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以描述某些场景专有的信息。

虚拟机的不同实现可以加入自定义的属性，而且属性表对于属性的顺序不做要求，灵活性比较大，目前属性表的的预定义属性达到了29项

对于每一个属性，它的名称都要从常量池中引用一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量来表示，而属性值的结构则是完全自定义的，只需要通过一个u4的长度属性去说明属性值所占用的位数即可。一个符合规则的属性表应该满足下表：

1：Code属性

Java程序的方法体中的代码经过编译器处理之后，最总变成字节码存储在Code属性之中。Code属性出现在方法表的属性集合中，但不是所有方法表都存在这个属性，比如接口的方法，和抽象方法就不存在code属性，如果code属性存在的话，它的结构如下表所示：

• attribute_name_index是一项指向CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，此常量值固定为“Code”，它代表了该属性的属性名称
• attribute_length指示了属性值的长度，由于属性名称索引与属性长度一共为6个字节，所以属性值的长度固定为整个属性表长度减去6个字节。
• max_stack代表了操作数栈（Operand Stack）深度的最大值。在方法执行的任意时刻，操作数栈都不会超过这个深度。虚拟机运行的时候需要根据这个值来分配栈帧中的操作栈深度。所以说操作数栈的大小在编译时期就确定下来了
• max_locals代表了局部变量表所需的存储空间。局部变量表的大小在编译时期就确定下来了

在这里，max_locals的单位是变量槽（Slot），变量槽是虚拟机为局部变量分配内存所使用的最小单位。对于byte、char、float、int、short、boolean和returnAddress等长度不超过32位的数据类型，每个局部变量占用一个变量槽，而double和long这两种64位的数据类型则需要两个变量槽来存放。

方法参数（包括实例方法中的隐藏参数“this”）、显式异常处理程序的参数（Exception Handler Parameter，就是try-catch语句中catch块中所定义的异常）、方法体中定义的局部变量都需要依赖局部变量表来存放。

局部变量表的大小时如何计算的？
注意，并不是在方法中用了多少个局部变量，就把这些局部变量所占变量槽数量之和作为max_locals的值，操作数栈和局部变量表直接决定一个该方法的栈
帧所耗费的内存，不必要的操作数栈深度和变量槽数量会造成内存的浪费Java虚拟机的做法是将局部变量表中的变量槽进行重用，当代码执行超出一个局部变量的作用域时，这个局部变量所占的变量槽可以被其他局部变量所使用，Javac编译器会根据变量的作用域来分配变量槽给各个变量使用，根据同时生存的最大局部变量数量和类型计算出max_locals的大小。

• code_length和code用来存储Java源程序编译后生成的字节码指令code_length代表字节码长度，code是用于存储字节码指令的一系列字节流。

既然叫字节码指令，那顾名思义每个指令就是一个u1类型的单字节，当虚拟机读取到code中的一个字节码时，就可以对应找出这个字节码代表的是什么指
令，并且可以知道这条指令后面是否需要跟随参数，以及后续的参数应当如何解析。我们知道一个u1数据类型的取值范围为0x00～0xFF，对应十进制的0～255，也就是一共可以表达256条指令。目前，《Java虚拟机规范》已经定义了其中约200条编码值对应的指令含义，编码与指令之间的对应关系可查
阅本书的附录C“虚拟机字节码指令表”。

关于code_length，有一件值得注意的事情，虽然它是一个u4类型的长度值，理论上最大值可以达到2的32次幂，但是《Java虚拟机规范》中明确限制了一个方法不允许超过65535条字节码指令，即它实际只使用了u2的长度，如果超过这个限制，Javac编译器就会拒绝编译。

• 在字节码指令之后的是这个方法的显式异常处理表（下文简称“异常表”）集合，异常表对于Code属性来说并不是必须存在的

异常表结构：
如果存在异常表，那它的格式应如下表所示，包含四个字段，这些字段的含义为：如果当字节码从第start_pc行[1]到第end_pc行之间（不含第end_pc行）出现了类型为catch_type或者其子类的异常（catch_type为指向一个CONSTANT_Class_info型常量的索引），则转到第handler_pc行继续处理。当
catch_type的值为0时，代表任意异常情况都需要转到handler_pc处进行处理。

• 剩下的时code属性的属性表

2：Exceptions属性

这里的Exceptions属性是在方法表中与Code属性平级的一项属性，不要与前面刚刚讲解完的异常表产生混淆。Exceptions属性的作用是列举出方法中可能抛出的受查异常（Checked Excepitons），也就是方法描述时在throws关键字后面列举的异常。

结构如下：

此属性中的number_of_exceptions项表示方法可能抛出number_of_exceptions种受查异常，每一种受查异常使用一个exception_index_table项表示；exception_index_table是一个指向常量池中CONSTANT_Class_info型常量的索引，代表了该受查异常的类型。

3：LineNumberTable属性（属于code属性表）

LineNumberTable属性用于描述Java源码行号与字节码行号（字节码的偏移量）之间的对应关系。它并不是运行时必需的属性，但默认会生成到Class文件之中，可以在Javac中使用-g：none或-g：lines选项来取消或要求生成这项信息。如果选择不生成LineNumberTable属性，对程序运行产生的最主要影
响就是当抛出异常时，堆栈中将不会显示出错的行号，并且在调试程序的时候，也无法按照源码行来设置断点。LineNumberTable属性的结构如下表：

line_number_table是一个数量为line_number_table_length、类型为line_number_info的集合，line_number_info表包含start_pc和line_number两个u2类型的数据项，前者是字节码行号，后者是Java源码行号。

4.LocalVariableTable（code属性中）及LocalVariableTypeTable（类中）属性

LocalVariableTable属性用于描述栈帧中局部变量表的变量与Java源码中定义的变量之间的关系，它也不是运行时必需的属性，但默认会生成到Class文件之中，可以在Javac中使用-g：none或-g：vars选项来取消或要求生成这项信息。如果没有生成这项属性，最大的影响就是当其他人引用这个方法时，所有的参数名称都将会丢失，譬如IDE将会使用诸如arg0、arg1之类的占位符代替原有的参数名，这对程序运行没有影响，但是会对代码编写带来较大不便，而且在调试期间无法根据参数名称从上下文中获得参数值。

5.SourceFile

SourceFile属性用于记录生成这个Class文件的源码文件名称。这个属性也是可选的，可以使用Javac的-g：none或-g：source选项来关闭或要求生成这项信息。在Java中，对于大多数的类来说，类名和文件名是一致的，但是有一些特殊情况（如内部类）例外。如果不生成这项属性，当抛出异常时，堆栈中将不会显示出错代码所属的文件名

6.ConstantValue属性

static final

ConstantValue属性的作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值。只有被static关键字修饰的变量（类变量）才可以使用这项属性。类似“int x=123”和“static int x=123”这样的变量定义在Java程序里面是非常常见的事情，但虚拟机对这两种变量赋值的方式和时刻都有所不同。对非static类型的变量（也就是实例变量）的赋值是在实例构造器()方法中进行的；而对于类变量，则有两种方式可以选择：在类构造器()方法中或者使用ConstantValue属性。目前Oracle公司实现的Javac编译器的选择是，如果同时使用final和static来修饰一个变量（按照习惯，这里称“常量”更贴切），并且这个变量的数据类型是基本类型或者java.lang.String的话，就将会生成ConstantValue属性来进行初始化；如果这个变量没有被final修饰，或者并非基本类型及字符串，则将会选择在()方法中进行初始化。

7.InnerClasses属性

InnerClasses属性用于记录内部类与宿主类之间的关联

8.Deprecated及Synthetic属性

Deprecated属性用于表示某个类、字段或者方法，已经被程序作者定为不再推荐使用，它可以通过代码中使用“@deprecated”注解进行设置。

Synthetic属性代表此字段或者方法并不是由Java源码直接产生的，而是由编译器自行添加的

9.StackMapTable属性

StackMapTable属性在JDK 6增加到Class文件规范之中，它是一个相当复杂的变长属性，位于Code属性的属性表中。这个属性会在虚拟机类加载的字节码验证阶段被新类型检查验证器（TypeChecker）使用（详见第7章字节码验证部分），目的在于代替以前比较消耗性能的基于数据流分析的类型推导验证器。

10.Signature属性

11.BootstrapMethods属性

BootstrapMethods属性在JDK 7时增加到Class文件规范之中，它是一个复杂的变长属性，位于类文件的属性表中。这个属性用于保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符。

12.MethodParameters属性

MethodParameters是在JDK 8时新加入到Class文件格式中的，它是一个用在方法表中的变长属性。MethodParameters的作用是记录方法的各个形参名称和信息。