【JVM】class文件结构1——魔数、版本号、常量池与类访问标记

r囧r小猫 2023-03-13 05:26 17阅读 0赞

### 1、魔数 ###

我们可以利用editplus，以16进制的编码格式来查看class文件的结构，具体操作方法为在editplus的工具栏中点击Edit，下拉选择Hex Viewer即可。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

如图所示，前四(4个bit位\*8个字母=32，32/8=4字节)个字节为0xCAFEBABE，这就是class文件的魔数。

虚拟机借助魔数，用来识别.class 文件，虚拟机在加载类文件之前会先检查魔数，如果不是 0xCAFEBABE 则拒绝加载该文件。

关于class文件魔数的由来，可以参考这篇文章[class文件魔数CAFEBABE的由来][class_CAFEBABE]

--------------------

### 2、版本号 ###

版本号分为副版本号(minor version)与主版本号(major version)，紧随魔数之后。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

可以看到主版本号为52（3\*16+4），52对应的java版本为java8，规律就是java版本=主版本号-44。例如主版本号50对应的java版本为java6。

如果java6的虚拟机去加载一个java8编译的类，则虚拟机直接会抛出java.lang.UnsupportedClassVersionError。

我们使用javap -v，也可以直接看到class文件的主副版本号：

![20200507163759385.png][]

--------------------

### 3、常量池 ###

常量池紧随着版本号，是class文件中最为复杂的部分。

当执行一个java方法时，需要将操作数入栈，这个时候如果操作数很小，那么直接内嵌到字节码中。如果是比较大的数字或者是字符串时，就不再会内嵌到字节码中，而是存到常量池中。当将这些操作数入栈时，字节指令后面会跟着一个指向常量池的一个索引。

比如这个方法：

public void print() {
            System.out.println(1);
            System.out.println("abcd");
        }

对应字节码为：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

当然，常量池不仅仅存储字符串类型，完整的常量类型，如下表所示：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 类型 </td> 
 <td> 说明 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_Utf8_info </td> 
 <td> 表示utf-8编码的字符串常量 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_Integer_info </td> 
 <td> 表示int常量 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_Float_info </td> 
 <td> 表示float常量 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_Long_info </td> 
 <td> 表示long常量 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_Double_info </td> 
 <td> 表示double常量 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_Class_info </td> 
 <td> 表示类或接口的完全限定名 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_String_info </td> 
 <td> 表示java.lang.String类型的字符串 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_Fieldref_info </td> 
 <td> 表示字段的符号引用 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_Methodref_info </td> 
 <td> 表示方法的符号引用 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_InterfaceMethodref_info </td> 
 <td> 表示实现的接口方法的符号引用 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_NameAndType_info </td> 
 <td> 表示字段或方法的名称以及类型 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_MethodHandle_info </td> 
 <td> 表示方法句柄 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_MethodType_info </td> 
 <td> 表示方法类型 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CONSTANT_InvokeDynamic_info </td> 
 <td> 表示动态调用 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

符号引用可以这么去理解：符号引用是一个具有定位意义的字符串，在类加载过程中，连接的子过程解析阶段时，虚拟机会将符号引用解析为直接引用。关于类加载机制，可以先参考我的另外一篇文章[类的奇幻漂流——类加载机制探秘][Link 1]。

就以我们最经常用到的System.out.println()方法为例，out是System类中的一个PrintStream类型的引用变量，println则是PrintStream类中的一个方法，那么out字段的符号引用与println方法的符号引用是什么样子的呢？

以下面的代码为例：

package com.yang.testMethod;
    
    public class Main {
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println(1);
        }
    }

常量池如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

可以看得出来，out字段的Fieldref=Class+NameAndType，即字段的符号引用=所属类的符号引用+字段的描述符。

println方法的符号引用也是同样的组成方式，但方法的NameAndType包含参数类型描述符以及返回值类型描述符。

描述符又是怎样组织的，可以先看字段表中的字段描述符以及方法表中的方法描述符。

MethodHandle、MethodType与InvokeDynamic是为了支持动态语言调用，在1.7之后才加入的，这里不做讨论。不过这里的invokeDynamic很有意思，会另外篇幅进行介绍。

--------------------

### 4、类访问标记 ###

类访问标记紧随在常量池之后，占两个字节，一共16位，目前只使用了其中8位。

虚拟机在编译某个类时，会解析出这个类的特性，将其设置到类访问标记上，即将特定的bit位置1，表示该类拥有这个bit位上代表的标记。

8种标记如下表所示，例如编译一个public类时，该类的访问标记上会有ACC\_PUBLIC与ACC\_SUPER。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 标记名称 </td> 
 <td> 说明 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> ACC_PUBLIC </td> 
 <td> 类或接口的访问权限为public </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> ACC_FINAL </td> 
 <td> 类被final修饰 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> ACC_SUPER </td> 
 <td> 类 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> ACC_INTERFACE </td> 
 <td> 接口 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> ACC_ABSTRACT </td> 
 <td> 抽象类或接口 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> ACC_SYNTHETIC </td> 
 <td> 编译器自动生成，不是用户对代码编译生成 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> ACC_ANNOTATION </td> 
 <td> 注解 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> ACC_ENUM </td> 
 <td> 枚举 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

例如，有这样的一个java文件：

package com.yang.testFlag;
    
    public interface Main {
    }

使用javac Main.java，接着javap -v Main之后，得到该接口的访问标记为：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

接口是一种特殊的抽象类，所有的变量都为public static final类型，所有的方法都是抽象方法。（当然除了静态方法与默认方法）。更多关于抽象类与接口的特征与区别，可以先参考我的另外一篇文章[抽象类和接口的联系与区别][Link 2]。

因此，一个public类型的接口，它的访问标记有3个，分别为ACC\_PUBLIC、ACC\_INTERFACE与ACC\_ABSTRACT。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230312/6175a59362504a2db243729d01eb41d4.png
[class_CAFEBABE]: https://blog.csdn.net/renfufei/article/details/69938592
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20230312/6014d32a105c422c9bfdeba89566d2ab.png
[20200507163759385.png]: /images/20230312/008b76b7f85b4b4cadcd2f5e05105472.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20230312/36461ee636784719bbaf1df21c962d48.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/qq_33591903/article/details/105725055
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20230312/1e15c140f9a3499e8d8cdc8fd748017e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20230312/34d8b780705748cd8f3585ce1ca25c00.png
[Link 2]: https://blog.csdn.net/qq_33591903/article/details/81709511?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522158884284319726867813293%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=158884284319726867813293&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~blog~first_rank_v2~rank_v25-1