JVM学习笔记4——Class文件结构

落日映苍穹つ 2022-05-30 07:19 217阅读 0赞

## Class文件结构 ##

> 真正了不起的程序员对自己的程序的每一个字节都了如指掌

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位字节以上空间的数据项时，则会按照高位在前的方式分割成若干个8位字节进行存储。

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数据，这种伪结构中只有两种数据类型：无符号数和表，后面的解析都要以这两种数据类型为基础，所以这里要先介绍这两个概念。

无符号数属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和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，所有表都习惯性地以“\_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上就是一张表，它由表6-1所示的数据项构成。

Class的结构不像XML等描述语言，由于它没有任何分隔符号，所以在表6-1中的数据项，无论是顺序还是数量，甚至于数据存储的字节序（Byte Ordering,Class文件中字节序为Big-Endian）这样的细节，都是被严格限定的，哪个字节代表什么含义，长度是多少，先后顺序如何，都不允许改变。

![这里写图片描述][70]

### 魔数与Class文件的版本 ###

每个Class文件的头4个字节称为魔数（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。

Class文件的魔数的获得很有“浪漫气息”，值为：0xCAFEBABE（咖啡宝贝？）

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

### 常量池：class文件之中的资源仓库 ###

紧接着主次版本号之后的是常量池入口，常量池可以理解为Class文件之中的资源仓库，它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据类型，也是占用Class文件空间最大的数据项目之一，同时它还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目。

![这里写图片描述][70 1]  
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（constant\_pool\_count）。与Java中语言习惯不一样的是，这个容量计数是从1而不是0开始

常量池中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References）。  
字面量比较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、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：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。  
当虚拟机运行时，需要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。

常量池中每一项常量都是一个表，在JDK 1.7之前共有11种结构各不相同的表结构数据，在JDK 1.7中为了更好地支持动态语言调用，又额外增加了3种。这14种表都有一个共同的特点，就是表开始的第一位是一个u1类型的标志位，代表当前这个常量属于哪种常量类型。

之所以说常量池是最烦琐的数据，是因为这14种常量类型各自均有自己的结构。

![这里写图片描述][70 2]

在JDK的bin目录中，Oracle公司已经为我们准备好一个专门用于分析Class文件字节码的工具：javap，使用javap工具的-verbose参数可以输出TestClass.class文件字节码内容。

javap -verbose TestClass

### 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。具体的标志位以及标志的含义见下表。

![这里写图片描述][70 3]

### 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。由于Java语言不允许多重继承，所以父类索引只有一个，除了java.lang.Object之外，所有的Java类都有父类，因此除了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，这些被实现的接口将按implements语句（如果这个类本身是一个接口，则应当是extends语句）后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。

类索引、父类索引和接口索引集合都按顺序排列在访问标志之后，类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示，它们各自指向一个类型为CONSTANT\_Class\_info的类描述符常量，通过CONSTANT\_Class\_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT\_Utf8\_info类型的常量中的全限定名字符串。

### 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。字段（field）包括类级变量以及实例级变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。我们可以想一想在Java中描述一个字段可以包含什么信息？可以包括的信息有：字段的作用域（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）、可否被序列化（transient修饰符）、字段数据类型（基本类型、对象、数组）、字段名称。上述这些信息中，各个修饰符都是布尔值，要么有某个修饰符，要么没有，很适合使用标志位来表示。而字段叫什么名字、字段被定义为什么数据类型，这些都是无法固定的，只能引用常量池中的常量来描述。

“简单名称”、“描述符”以及前面出现过多次的“全限定名”这三种特殊字符串的概念。  
全限定名和简单名称很好理解，以代码清单6-1中的代码为例，“org/fenixsoft/clazz/TestClass”是这个类的全限定名，仅仅是把类全名中的“.”替换成了“/”而已，为了使连续的多个全限定名之间不产生混淆，在使用时最后一般会加入一个“；”表示全限定名结束。简单名称是指没有类型和参数修饰的方法或者字段名称，这个类中的inc（）方法和m字段的简单名称分别是“inc”和“m”。

相对于全限定名和简单名称来说，方法和字段的描述符就要复杂一些。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）以及代表无返回值的void类型都用一个大写字符来表示，而对象类型则用字符L加对象的全限定名来表示，详见下表。

![这里写图片描述][70 4]

对于数组类型，每一维度将使用一个前置的“\[”字符来描述，如一个定义为“java.lang.String\[\]\[\]”类型的二维数组，将被记录为：“\[\[Ljava/lang/String；”，一个整型数组“int\[\]”将被记录为“\[I”。  
用描述符来描述方法时，按照先参数列表，后返回值的顺序描述，参数列表按照参数的严格顺序放在一组小括号“（）”之内。如方法void inc（）的描述符为“（）V”，方法java.lang.String toString（）的描述符为“（）Ljava/lang/String；”，方法int indexOf（char\[\]source,int sourceOffset,int sourceCount,char\[\]target,int targetOffset,int targetCount,int fromIndex）的描述符为“（\[CII\[CIII）I”。

### 方法表集合 ###

如果理解了上一节关于字段表的内容，那本节关于方法表的内容将会变得很简单。Class文件存储格式中对方法的描述与对字段的描述几乎采用了完全一致的方式，方法表的结构如同字段表一样，依次包括了访问标志（access\_flags）、名称索引（name\_index）、描述符索引（descriptor\_index）、属性表集合（attributes）几项，见表6-11。这些数据项目的含义也非常类似，仅在访问标志和属性表集合的可选项中有所区别。

方法的定义可以通过访问标志、名称索引、描述符索引表达清楚，但方法里面的代码去哪里了？方法里的Java代码，经过编译器编译成字节码指令后，存放在方法属性表集合中一个名为“Code”的属性里面，属性表作为Class文件格式中最具扩展性的一种数据项目

有可能会出现由编译器自动添加的方法，最典型的便是类构造器“＜clinit＞”方法和实例构造器“＜init＞”方法

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\[2\]，特征签名就是一个方法中各个参数在常量池中的字段符号引用的集合，也就是因为返回值不会包含在特征签名中，因此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文件格式中，特征签名的范围更大一些，只要描述符不是完全一致的两个方法也可以共存。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。

(Ljava/lang/String;)V
    (Ljava/lang/String;IF)V
    
    方法的参数是对象
    方法有多个参数

### 属性表集合 ###

属性表（attribute\_info）在前面的讲解之中已经出现过数次，在Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景专有的信息。  
与Class文件中其他的数据项目要求严格的顺序、长度和内容不同，属性表集合的限制稍微宽松了一些，不再要求各个属性表具有严格顺序，并且只要不与已有属性名重复，任何人实现的编译器都可以向属性表中写入自己定义的属性信息，Java虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性

1.Code属性  
Java程序方法体中的代码经过Javac编译器处理后，最终变为字节码指令存储在Code属性内。Code属性出现在方法表的属性集合之中，但并非所有的方法表都必须存在这个属性，譬如接口或者抽象类中的方法就不存在Code属性，如果方法表有Code属性存在，那么它的结构将如表6-15所示。

![这里写图片描述][70 5]

Code属性是Class文件中最重要的一个属性，如果把一个Java程序中的信息分为代码  
（Code，方法体里面的Java代码）和元数据（Metadata，包括类、字段、方法定义及其他信  
息）两部分，那么在整个Class文件中，Code属性用于描述代码，所有的其他数据项目都用  
于描述元数据。了解Code属性是学习后面关于字节码执行引擎内容的必要基础，能直接阅读  
字节码也是工作中分析Java代码语义问题的必要工具和基本技能

### LineNumberTable属性 ###

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中分别使用-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的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属性的结构见下。

LineNumberTable_attribute {
          u2 attribute_name_index;
          u4 attribute_length;
          u2 line_number_table_length;
          { 
            u2 start_pc;    // 字节码偏移量
            u2 line_number;   //行号
          } line_number_table[line_number_table_length];
    
        }

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表包括了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。

### ConstantValue属性 ###

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程序中是非常常见的事情，但虚拟机对这两种变量赋值的方式和时刻都有所不同。对于非static类型的变量（也就是实例变量）的赋值是在实例构造器＜init＞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＜clinit＞方法中或者使用ConstantValue属性。目前Sun 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＜clinit＞方法中进行初始化。

虽然有final关键字才更符合“ConstantValue”的语义，但虚拟机规范中并没有强制要求字段必须设置了ACC\_FINAL标志，只要求了有ConstantValue属性的字段必须设置ACC\_STATIC标志而已，对final关键字的要求是Javac编译器自己加入的限制。而对ConstantValue的属性值只能限于基本类型和String，不过笔者不认为这是什么限制，因为此属性的属性值只是一个常量池的索引号，由于Class文件格式的常量类型中只有与基本属性和字符串相对应的字面量，所以就算ConstantValue属性想支持别的类型也无能为力。ConstantValue属性的结构见下。

ConstantValue_attribute {  
        //必须是一个对常量池的有效索引。常量池在该索引处的项必须是UTF8Info，表示字符串“ConstantValue”。
        u2 attribute_name_index;   
        //固定为2
        u4 attribute_length;  
        //必须是一个对常量池的有效索引。常量池在该索引处的项给出该属性表示的常量值， 可能的值有Constant_String, Constant_Long…….
        u2 constantvalue_index; 
    }

从数据结构中可以看出，ConstantValue属性是一个定长属性，它的attribute\_length数据项值必须固定为2。constantvalue\_index数据项代表了常量池中一个字面量常量的引用，根据字段类型的不同，字面量可以是CONSTANT\_Long\_info、CONSTANT\_Float\_info、CONSTANT\_Double\_info、CONSTANT\_Integer\_info、CONSTANT\_String\_info常量中的一种。

[70]: /images/20220530/a1540e15b6c7405d8618217537571cf6.png
[70 1]: /images/20220530/2c29bfe1abc2450494a91644bb189447.png
[70 2]: /images/20220530/90a9994f2c224753b6ac6d1640d58d60.png
[70 3]: /images/20220530/5cbf93fc338d4317ab05f59e48444fa2.png
[70 4]: /images/20220530/70f38a753bcf4fa1a16ae4f0512bea13.png
[70 5]: /images/20220530/a19326012a2b41c48818419f62eb3863.png