JVM详解之:java class文件的密码本

超、凢脫俗 2023-02-26 09:26 8阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  简介
 *  一个简单的class
 *  ClassFile的二进制文件
 *  class文件的密码本
 *   *  magic
     *  version
     *  常量池
     *  描述符
     *  access\_flags
     *  this\_class和super\_class
     *  interfaces\_count和interfaces\[\]
     *  fields\_count和fields\[\]
 *  methods\_count和methods\[\]
 *  attributes\_count和attributes\[\]
 *  总结

# 简介 #

一切的一切都是从javac开始的。从那一刻开始，java文件就从我们肉眼可分辨的文本文件，变成了冷冰冰的二进制文件。

变成了二进制文件是不是意味着我们无法再深入的去了解java class文件了呢？答案是否定的。

机器可以读，人为什么不能读？只要我们掌握java class文件的密码表，我们可以把二进制转成十六进制，将十六进制和我们的密码表进行对比，就可以轻松的解密了。

下面，让我们开始这个激动人心的过程吧。

# 一个简单的class #

为了深入理解java class的含义，我们首先需要定义一个class类：

public class JavaClassUsage { 
    
        private int age=18;
    
        public void inc(int number){ 
            this.age=this.age+ number;
        }
    }

很简单的类，我想不会有比它更简单的类了。

在上面的类中，我们定义了一个age字段和一个inc的方法。

接下来我们使用javac来进行编译。

IDEA有没有？直接打开编译后的class文件，你会看到什么？

没错，是反编译过来的java代码。但是这次我们需要深入了解的是class文件，于是我们可以选择 view->Show Bytecode：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70][]

当然，还是少不了最质朴的javap命令：

javap -verbose JavaClassUsage

对比会发现，其实javap展示的更清晰一些，我们暂时选用javap的结果。

编译的class文件有点长，我一度有点不想都列出来，但是又一想只有对才能讲述得更清楚，还是贴在下面：

public class com.flydean.JavaClassUsage
      minor version: 0
      major version: 58
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
    Constant pool:
       #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Class              #4             // java/lang/Object
       #3 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
       #4 = Utf8               java/lang/Object
       #5 = Utf8               <init>
       #6 = Utf8               ()V
       #7 = Fieldref           #8.#9          // com/flydean/JavaClassUsage.age:I
       #8 = Class              #10            // com/flydean/JavaClassUsage
       #9 = NameAndType        #11:#12        // age:I
      #10 = Utf8               com/flydean/JavaClassUsage
      #11 = Utf8               age
      #12 = Utf8               I
      #13 = Utf8               Code
      #14 = Utf8               LineNumberTable
      #15 = Utf8               LocalVariableTable
      #16 = Utf8               this
      #17 = Utf8               Lcom/flydean/JavaClassUsage;
      #18 = Utf8               inc
      #19 = Utf8               (I)V
      #20 = Utf8               number
      #21 = Utf8               SourceFile
      #22 = Utf8               JavaClassUsage.java
    { 
      public com.flydean.JavaClassUsage();
        descriptor: ()V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=2, locals=1, args_size=1
             0: aload_0
             1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
             4: aload_0
             5: bipush        18
             7: putfield      #7                  // Field age:I
            10: return
          LineNumberTable:
            line 7: 0
            line 9: 4
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0      11     0  this   Lcom/flydean/JavaClassUsage;
    
      public void inc(int);
        descriptor: (I)V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=3, locals=2, args_size=2
             0: aload_0
             1: aload_0
             2: getfield      #7                  // Field age:I
             5: iload_1
             6: iadd
             7: putfield      #7                  // Field age:I
            10: return
          LineNumberTable:
            line 12: 0
            line 13: 10
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0      11     0  this   Lcom/flydean/JavaClassUsage;
                0      11     1 number   I
    }
    SourceFile: "JavaClassUsage.java"

# ClassFile的二进制文件 #

慢着，上面javap的结果好像并不是二进制文件！

对的，javap是对二进制文件进行了解析，方便程序员阅读。如果你真的想直面最最底层的机器代码，就直接用支持16进制的文本编译器把编译好的class文件打开吧。

你准备好了吗？

来吧，展示吧！

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70 1][]

上图左边是16进制的class文件代码，右边是对16进制文件的适当解析。大家可以隐约的看到一点点熟悉的内容。

是的，没错，你会读机器语言了！

# class文件的密码本 #

如果你要了解class文件的结构，你需要这个密码本。

如果你想解析class文件，你需要这个密码本。

学好这个密码本，走遍天下都…没啥用！

下面就是密码本，也就是classFile的结构。

ClassFile { 
        u4             magic;
        u2             minor_version;
        u2             major_version;
        u2             constant_pool_count;
        cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];
        u2             access_flags;
        u2             this_class;
        u2             super_class;
        u2             interfaces_count;
        u2             interfaces[interfaces_count];
        u2             fields_count;
        field_info     fields[fields_count];
        u2             methods_count;
        method_info    methods[methods_count];
        u2             attributes_count;
        attribute_info attributes[attributes_count];
    }

其中u2，u4表示的是无符号的两个字节，无符号的4个字节。

java class文件就是按照上面的格式排列下来的，按照这个格式，我们可以自己实现一个反编译器（大家有兴趣的话，可以自行研究）。

我们对比着上面的二进制文件一个一个的来理解。

## magic ##

首先，class文件的前4个字节叫做magic word。

看一下十六进制的第一行的前4个字节：

CA FE BA BE 00 00 00 3A 00 17 0A 00 02 00 03 07

0xCAFEBABE就是magic word。所有的java class文件都是以这4个字节开头的。

来一杯咖啡吧，baby！

多么有诗意的画面。

## version ##

这两个version要连着讲，一个是主版本号，一个是次版本号。

00 00 00 3A

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70 2][]

对比一下上面的表格，我们的主版本号是3A=58，也就是我们使用的是JDK14版本。

## 常量池 ##

接下来是常量池。

首先是两个字节的constant\_pool\_count。对比一下，constant\_pool\_count的值是：

00 17

换算成十进制就是23。也就是说常量池的大小是23-1=22。

> 这里有两点要注意，第一点，常量池数组的index是从1开始到constant\_pool\_count-1结束。
> 
> 第二点，常量池数组的第0位是作为一个保留位，表示“不引用任何常量池项目”，为某些特殊的情况下使用。

接下来是不定长度的cp\_info：constant\_pool\[constant\_pool\_count-1\]常量池数组。

常量池数组中存了些什么东西呢？

字符串常量，类和接口名字，字段名，和其他一些在class中引用的常量。

具体的constant\_pool中存储的常量类型有下面几种：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70 3][]

每个常量都是以一个tag开头的。用来告诉JVM，这个到底是一个什么常量。

好了，我们对比着来看一下。在constant\_pool\_count之后，我们再取一部分16进制数据：

![20200616090131493.png][]

上面我们讲到了17是常量池的个数，接下来就是常量数组。

0A 00 02 00 03

首先第一个字节是常量的tag， 0A=10，对比一下上面的表格，10表示的是CONSTANT\_Methodref方法引用。

CONSTANT\_Methodref又是一个结构体，我们再看一下方法引用的定义：

CONSTANT_Methodref_info { 
        u1 tag;
        u2 class_index;
        u2 name_and_type_index;
    }

从上面的定义我们可以看出，CONSTANT\_Methodref是由三部分组成的，第一部分是一个字节的tag，也就是上面的0A。

第二部分是2个字节的class\_index，表示的是类在常量池中的index。

第三部分是2个字节的name\_and\_type\_index，表示的是方法的名字和类型在常量池中的index。

先看class\_index，0002=2。

常量池的第一个元素我们已经找到了就是CONSTANT\_Methodref，第二个元素就是跟在CONSTANT\_Methodref后面的部分，我们看下是什么：

07 00 04

一样的解析步骤，07=7，查表，表示的是CONSTANT\_Class。

我们再看下CONSTANT\_Class的定义：

CONSTANT_Class_info { 
        u1 tag;
        u2 name_index;
    }

可以看到CONSTANT\_Class占用3个字节，第一个字节是tag，后面两个字节是name在常量池中的索引。

00 04 = 4， 表示name在常量池中的索引是4。

然后我们就这样一路找下去，就得到了所有常量池中常量的信息。

这样找起来，眼睛都花了，有没有什么简单的办法呢？

当然有，就是上面的javap -version， 我们再回顾一下输出结果中的常量池部分：

Constant pool:
       #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Class              #4             // java/lang/Object
       #3 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
       #4 = Utf8               java/lang/Object
       #5 = Utf8               <init>
       #6 = Utf8               ()V
       #7 = Fieldref           #8.#9          // com/flydean/JavaClassUsage.age:I
       #8 = Class              #10            // com/flydean/JavaClassUsage
       #9 = NameAndType        #11:#12        // age:I
      #10 = Utf8               com/flydean/JavaClassUsage
      #11 = Utf8               age
      #12 = Utf8               I
      #13 = Utf8               Code
      #14 = Utf8               LineNumberTable
      #15 = Utf8               LocalVariableTable
      #16 = Utf8               this
      #17 = Utf8               Lcom/flydean/JavaClassUsage;
      #18 = Utf8               inc
      #19 = Utf8               (I)V
      #20 = Utf8               number
      #21 = Utf8               SourceFile
      #22 = Utf8               JavaClassUsage.java

以第一行为例，直接告诉你常量池中第一个index的类型是Methodref，它的classref是index=2，它的NameAndType是index=3。

并且直接在后面展示出了具体的值。

## 描述符 ##

且慢，在常量池中我好像看到了一些不一样的东西，这些I，L是什么东西？

这些叫做字段描述符：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70 4][]

上图是他们的各项含义。除了8大基础类型，还有2个引用类型，分别是对象的实例，和数组。

## access\_flags ##

常量池后面就是access\_flags：访问描述符，表示的是这个class或者接口的访问权限。

先上密码表：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70 5][]

再找一下我们16进制的access\_flag:

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70 6][]

没错，就是00 21。 参照上面的表格，好像没有21，但是别怕：

21是ACC\_PUBLIC和ACC\_SUPER的并集。表示它有两个access权限。

## this\_class和super\_class ##

接下来是this class和super class的名字，他们都是对常量池的引用。

00 08 00 02

this class的常量池index=8， super class的常量池index=2。

看一下2和8都代表什么：

#2 = Class              #4             // java/lang/Object
       #8 = Class              #10            // com/flydean/JavaClassUsage

没错，JavaClassUsage的父类是Object。

> 大家知道为什么java只能单继承了吗？因为class文件里面只有一个u2的位置，放不下了！

## interfaces\_count和interfaces\[\] ##

接下来就是接口的数目和接口的具体信息数组了。

00 00

我们没有实现任何接口，所以interfaces\_count=0，这时候也就没有interfaces\[\]了。

## fields\_count和fields\[\] ##

然后是字段数目和字段具体的数组信息。

这里的字段包括类变量和实例变量。

每个字段信息也是一个结构体：

field_info { 
        u2             access_flags;
        u2             name_index;
        u2             descriptor_index;
        u2             attributes_count;
        attribute_info attributes[attributes_count];
    }

字段的access\_flag跟class的有点不一样：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70 7][]

这里我们就不具体对比解释了，感兴趣的小伙伴可以自行体验。

# methods\_count和methods\[\] #

接下来是方法信息。

method结构体：

method_info { 
        u2             access_flags;
        u2             name_index;
        u2             descriptor_index;
        u2             attributes_count;
        attribute_info attributes[attributes_count];
    }

method访问权限标记：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70 8][]

# attributes\_count和attributes\[\] #

attributes被用在ClassFile, field\_info, method\_info和Code\_attribute这些结构体中。

先看下attributes结构体的定义：

attribute_info { 
        u2 attribute_name_index;
        u4 attribute_length;
        u1 info[attribute_length];
    }

都有哪些attributes, 这些attributes都用在什么地方呢？

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70 9][]

其中有六个属性对于Java虚拟机正确解释类文件至关重要，他们是：  
ConstantValue，Code，StackMapTable，BootstrapMethods，NestHost和NestMembers。

九个属性对于Java虚拟机正确解释类文件不是至关重要的，但是对于通过Java SE Platform的类库正确解释类文件是至关重要的，他们是：

Exceptions，InnerClasses，EnclosingMethod，Synthetic，Signature，SourceFile，LineNumberTable，LocalVariableTable，LocalVariableTypeTable。

其他13个属性，不是那么重要，但是包含有关类文件的元数据。

# 总结 #

最后留给大家一个问题，java class中常量池的大小constant\_pool\_count是2个字节，两个字节可以表示2的16次方个常量。很明显已经够大了。

但是，万一我们写了超过2个字节大小的常量怎么办？欢迎大家留言给我讨论。

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![20200709152618916.png][]

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[http_www.flydean.com_jvm-class-file-structure_]: http://www.flydean.com/jvm-class-file-structure/
[20200709152618916.png]: /images/20230209/b07fe051c1c74c4788549fde410595d1.png