深入理解 JVM Class文件格式(八)

在本专栏的第一篇文章 深入理解Java虚拟机到底是什么 中, 我们主要讲解了什么是虚拟机, 这篇博客是对JVM的一个概述。 在随后的几篇文章中,一直在讲解class文件格式。 在今天这篇博客中, 将会继续讲解class文件中的其他信息。 在本文中, 将会讲解class文件中的最后一部分, 属性(attributes) 。 这里的属性和源文件中的属性不是一个概念。 在源文件中, 我们把在类中定义的字段也叫做属性。

我们接下来讲的class文件中的属性,是存储一些额外信息的数据结构

class文件中的attributes_count和attributes

attributes_count位于class文件中methods的下面。 它占两个字节, 存储的是一个整数值, 表示class文件中属性的个数。

attributes_count下面的是attributes, 可以把它看做一个数组, 每个数组项是一个attribute_info , 每个attribute_info 表示一个属性。attributes中有 attributes_count个attribute_info 。

需要说明的是, 属性会出现在多个地方, 不仅仅出现在顶层的ClassFile中, 也会出现在class文件中的数据项中, 如出现在field_info中, 用来描述特定字段的一些信息, 还可以出现在method_info中, 用来描述特定方法的一些信息。 (关于field_info和method_info已经在上面一篇博客中介绍过, 不明白的可以参考上面的博客: 深入理解JVM Class文件格式(七))

属性(attribute_info)的大概格式是这样的:

在这里插入图片描述

其中attribute_name_index占两个字节, 它是一个指向常量池数据项的索引。 它指向一个CONSTANT_Utf8_info , 这个CONSTANT_Utf8_info 中存放的是当前属性的名字。

attribute_name_index下面的四个字节叫做attribute_length, 它表示当前属性的长度, 这个长度不包括前6个字节, 也就是说只包括属性真实信息(也就是info)的长度

attribute_length下面的数据是info, 它的长度由上面提到的attribute_length指定, 它存放的是真实的属性数据。

下面我们会依次介绍一些重要属性, 相对不是很重要的属性会一笔带过。

ClassFile中的SourceFile属性

首先介绍一个比较简单的属性:SourceFile。 该属性出现在顶层的class文件中。 它描述了该类是从哪个源文件中编译来的, 注意, 描述的是源文件, 而不是类, 一个源文件中可以存在多个类。 它的格式如下:

在这里插入图片描述

前面说过, attribute_name_index指向常量池中的一个CONSTANT_Utf8_info , 这个CONSTANT_Utf8_info 中存放的是这个属性的名字字符串, 即“SourceFile” 。

attribute_length是属性信息的长度, 这里是2, 因为这个属性的info就两个字节。

sourcefile_index占两个字节, 这也是为什么attribute_length是2的原因。 sourcefile_index指向常量池中的一个CONSTANT_Utf8_info , 这个CONSTANT_Utf8_info 中存放的是生成该类的源文件的文件名, 这里的文件名不包括路径部分。

下面举例说明, 示例代码:

package com.jg.zhang;public class Person {int age;int getAge(){return age;}
}

反编译后的相关信息:

public class com.jg.zhang.PersonSourceFile: "Person.java"
Constant pool:
.........#20 = Utf8               SourceFile#21 = Utf8               Person.java.........

反编译结果中的 SourceFile: “Person.java” 一行是SourceFile属性的简单表示形式。 可以把它看做一个可读的attribute_info 。 下面常量池中的第20项的CONSTANT_Utf8_info是对这个属性的属性名(attribute_name_index)的描述 , 第21项的CONSTANT_Utf8_info是对源文件的文件名的描述。

下面是图例, 注意, 虚线范围内表示常量池区域:

在这里插入图片描述

ClassFile中的InnerClasses属性

InnerClasses是一个存在于顶层class文件中的属性, 它描述的是内部类和外围类的关系。 这是一个相对来说比较复杂的属性, 因为每个类可能有多个内部类, 而这些内部类中可能还有内部类, 多层嵌套。外围类中的InnerClasses属性必须描述它的所有内部类, 而内部类中的InnerClasses也必须描述它的外围类。

由于这个属性相对较为复杂, 而对于我们理解class文件又不具有很大的意义, 所以我们只是简单的介绍一下。 如果想深入理解这个属性, 请参考 《深入Java虚拟机》 第144到166页。

下面是这个属性的结构:

在这里插入图片描述

attribute_name_index和attribute_length就不过多介绍了, 和上面介绍的是一样的。

number_of_classes描述的是内部类的个数。

classes可以看做是一个数组, 这个数组中的每一项是一个inner_class_info, 而每个inner_class_info是对一个内部类的描述。每个 inner_class_info的结构如下:

在这里插入图片描述

Synthetic属性

Synthetic属性可以出现在filed_info中, method_info中和顶层的ClassFile中, 分别表示这个字段, 方法或类不是有用户代码生成的(即不存在与源文件中), 而是由编译器自动添加的。 例如, 编译器会为内部类增加一个字段, 该字段是对外部类对象的引用; 如果一个类没有定义构造方法, 那么编译器会自动添加一个无参数的构造方法, 如果定义了静态字段或静态代码块, 还会根据具体情况, 增加静态初始化方法 。 此外, 有些机制, 如动态代理, 会在运行时自动生成字节码文件, 由于这些类不是由源文件中编译来的, 所以这些类的class文件中会有一个Synthetic属性。

它的结构如下:

在这里插入图片描述

可以看到, 它没有真正的属性数据info, 它只是一个标志性的属性, 用来表示它所在的字段, 方法或类是由编译器自动添加的 。

下面以实例代码来说明, 源码如下:

package com.jg.zhang;public class Person {static{System.out.println("static");}int age;int getAge(){return age;}
}

反编译后的相关信息如下:

{int age;flags:static {};.........public com.jg.zhang.Person();.........int getAge();.........
}

由反编译结果可以看出, 编译器自动生成了静态初始化方法和构造方法。 可能是因为Synthetic属性是可选的(也就是说某个版本的编译器可以选择不加入Synthetic属性) ,所以在反编译后的结果中没有发现Synthetic属性。

ConstantValue属性

ConstantValue属性出现在class文件中的field_info中, 也就是说它是一个和字段相关的属性。 每个field_info中最多只能出现一个ConstantValue属性。 此外, 要注意的是, 必须是静态字段才可以有ConstantValue属性。 这个静态字段可以是final的, 也可以不是final的。

这个属性为静态变量提供了另一种初始化的方式。 静态变量初始化的方式有两种, 一种就是现在要讲得ConstantValue属性, 另一种就是静态初始化方法 不同的编译器和虚拟机可以有不同的实现方式。 但是如果虚拟机决定使用ConstantValue属性为静态变量赋值, 那么为这个变量的赋值动作, 必须位于执行方法之前。

此外, 只有基本数据类型或String类型的静态变量才可以存在ConstantValue属性, 原因在下面会有说明。

下面介绍它的结构:

在这里插入图片描述

attribute_name_index和attribute_length就不过多介绍了, 和上面介绍的是一样的。这里的attribute_length为2 。

位于attribute_length之下的是constantvalue_index , 这是一个指向常量池中某个数据项的索引。这个常量池数据项中存放的就是当前字段的值。

这个常量池中的数据项,根据field_info描述的字段的不同, 可以是不同类型的数据项, 如果当前字段是byte, short, char, int, boolean类型, 那么这个被指向的常量池数据项就会是一个CONSTANT_Integer_info , 如果当前字段是一个long类型的字段, 那么这个被指向的常量池数据项就会是一个CONSTANT_Long_info 。 如果当前字段是是一个String类型的字段 , 那么这个被指向的常量池数据项就是一个CONSTANT_String_info 。 这里有一点需要说明, 虽然java语言支持byte, short, char, boolean类型, 但是JVM却不支持这几种类型, 表现在class文件中就是, class文件中的常量池中没有和这几个数据类型相对应的数据项, 这几中类型都被JVM在执行时当做int来对待, 表现在class文件中就是, 这几种类型都对应常量池中的CONSTANT_Integer_info 数据项。

这也说明了, 为什么只有基本数据类型和String类型的静态常量才会存在ConstantValue属性 。 因为constantvalue_index只是一个指向常量池的索引, 而其他引用类型的常量不会存在于常量池中。

下面以实例来说明, 实例代码如下:

package com.jg.zhang;public class Person {static final int a = 1;int age;int getAge(){return age;}
}

反编译后的相关结果如下:

......Constant pool:#7 = Utf8               ConstantValue#8 = Integer            1{static final int a;flags: ACC_STATIC, ACC_FINALConstantValue: int 1.........
}

可以看到, 源文件中的a字段, 是static final 的, 所以编译器为这个字段的filed_info生成了ConstantValue属性。 这个属性的示意图如下所示, 注意, 虚线范围内表示常量池区域:

在这里插入图片描述

Deprecated属性

Deprecated属性可以存在于filed_info中, method_info中和顶层的ClassFile中, 分别表示这个字段, 方法或类已经过时。 这个属性用来支持源文件中的@deprecated注解。 也就是说, 如果在源文件中为一个字段, 方法或类标注了@deprecated注解, 那么编译器就会在class文件中为这个字段, 方法或类生成一个Deprecated属性 。

Deprecated属性的格式如下:

在这里插入图片描述

上面的属性一样, attribute_name_index属性指向一个常量池中的CONSTANT_Utf8_info 。 这个CONSTANT_Utf8_info中存放着该属性的名字 “Deprecated” 。

attribute_length永远为0 , 因为这个属性只是一个标志信息, 用来表示字段, 方法, 类已经过时, 而不具有任何实质性的属性信息。

下面以代码示例来说明, 代码如下:

package com.jg.zhang;public class Person {int age;@Deprecatedint getAge(){return age;}
}

在getAge方法上使用了@deprecated 。 下面是反编译之后的相关信息:

  ......Constant pool:......#18 = Utf8               Deprecated......{......int getAge();flags:Deprecated: true......}

可以看到, 在getAge方法相关的信息中, 有一行 Deprecated: true , 这说明编译器在getAge方法的method_info中加入了Deprecated属性。 常量池第18项的CONSTANT_Utf8_info中存放的是Deprecated属性的属性名“Deprecated” 。

下面是示意图, 虚线范围内表示常量池区域:

在这里插入图片描述

总结

本文就到此为止。 在本文中, 主要讲解了class文件中的一些属性。 这些属性可以出现在class文件中的对个地方, 用来描述一些其他信息。

在下一篇博客中, 会继续讲解其他属性。 下一篇博客要讲解的属性相对比较重要, 因为这些属性主要是和方法相关的。 到目前为止, 我们已经讲解了class文件中的大部分信息, 包括常量池, this_class, super_class, field_info, method_info等等。 虽然method_info是对一个方法的描述, 但是目前我们知道的而关于method_info的信息, 只描述了方法的方法名, 描述符等签名信息。 但是方法中还包括很多重要信息, 比如字节码指令, 异常处理块, 方法声明抛出的异常 等。 这些重要信息在class文件中是如何描述的呢? 下一篇博客将会揭晓答案, 敬请关注。

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