JVM专题——类文件结构

本文部分内容节选自Java Guide和《深入理解Java虚拟机》, Java Guide地址: https://javaguide.cn/java/jvm/class-file-structure.html

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Class 类文件结构

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，则会按照高位在前的方式分割成若干个8个字节进行存储。

ClassFile 结构如下

ClassFile {u4             magic; //Class 文件的标志u2             minor_version;//Class 的小版本号u2             major_version;//Class 的大版本号u2             constant_pool_count;//常量池的数量cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池u2             access_flags;//Class 的访问标记u2             this_class;//当前类u2             super_class;//父类u2             interfaces_count;//接口数量u2             interfaces[interfaces_count];//一个类可以实现多个接口u2             fields_count;//字段数量field_info     fields[fields_count];//一个类可以有多个字段u2             methods_count;//方法数量method_info    methods[methods_count];//一个类可以有个多个方法u2             attributes_count;//此类的属性表中的属性数attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合
}

魔数与Class文件版本号

每个Class文件的头四个字节被称为魔数 , 它用来判断这个文件是否是一个能够被Java虚拟机接收的Class文件. Java虚拟机规定魔数必须是 0xCAFEBABE , 否则虚拟机会拒绝加载这个Class文件

紧接着魔数的四个字节是 Class文件的版本号 , 第5和第6字节是 次版本号 , 第7和第8字节是 主版本号 . 高版本的JDK能够向下兼容低版本的Class文件, 但是低版本的JDK不能向上兼容高版本的Class文件

常量池

紧接着魔数和Class文件版本号之后的是 常量池入口 . 常量池可以比喻为Class文件中的资源仓库, 它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据, 同时也是占用Class文件空间最大的数据项目之一, 另外它还是Class文件中第一个出现的表类型数据项目

    u2             constant_pool_count;//常量池的数量cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池

常量池的数量是 constant_pool_count - 1 (常量池计数器是从1开始计数的, 常量池索引为0表示 “不引用任何一个常量池项”)

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 语言中的常量概念, 而符号引用属于编译原理的概念, 主要包括以下几类变量

被模块导入或者开放的包
类和接口的全限定名
字段的名称和描述符
方法的名称和描述符
方法句柄和方法类型
动态调用点和动态常量

常量池中每一个常量都是一个表, 到JDK13版本目前有17个不同类型的常量

类型	标志	描述
CONSTANT_Utf8_info	1	UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info	3	整型字面量
CONSTANT_Float_info	4	浮点型字面量
CONSTANT_Long_info	5	长整型字面量
CONSTANT_Double_info	6	双精度浮点型字面量
CONSTANT_Class_info	7	类或接口的符号引用
CONSTANT_String_info	8	字符串类型字面量
CONSTANT_Fieldref_info	9	字段的符号引用
CONSTANT_Methodref_info	10	类中方法的符号引用
CONSTANT_InterfaceMethodref_info	11	接口中方法的符号引用
CONSTANT_NameAndType_info	12	字段或方法的部分符号引用
CONSTANT_MethodHandle_info	15	表示方法句柄
CONSTANT_MethodType_info	16	表示方法类型
CONSTANT_Dynamic_info	17	表示一个动态计算常量
CONSTANT_InvokeDynamic_info	18	表示一个动态方法调用点
CONSTANT_Module_info	19	表示一个模块
CONSTANT_Package_info	20	表示一个模块中开放或者导出的包

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 , 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; 是否为 public 或者abstract; 如果是类的话, 是否被声明为 final

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	是否为public
ACC_FINAL	0x0010	是否为final
ACC_SUPER	0x0020	是否使用invokespecial字节码指令的新语义
ACC_INTERFACE	0x0200	是否是一个接口
ACC_ABSTRACT	0x0400	是否为abstract
ACC_SYNTHETIC	0x1000	标识这个类并非由用户代码产生的
ACC_ANNOTATION	0x2000	标识这是一个注解
ACC_ENUM	0x4000	标识这是一个枚举
ACC_MODULE	0x8000	标识这是一个模块

类索引, 父类索引和接口索引集合

类索引, 父类索引和接口索引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

    u2             this_class;//当前类u2             super_class;//父类u2             interfaces_count;//接口数量u2             interfaces[interfaces_count];//一个类可以实现多个接口

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 语言的单继承，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。

字段表集合

字段表用于描述接口或类中声明的变量. 字段包括类级变量以及实例变量, 但不包括在方法内部声明的局部变量

    u2             fields_count;//字段数量field_info     fields[fields_count];//一个类会可以有个字段

字段表结构

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

access_flags : 字段的作用域 (public , private , protected 修饰符), 是实例变量还是类变量, 可否被序列化, 可变性( final 修饰 ) , 可见性(volatile)
name_index : 对常量池的引用, 表示的字段的名称
descriptor_index : 对常量池的引用, 标识字段和方法的描述符
attributes_count : 一个字段还会拥有一些额外的属性, attributes_count 存放属性的个数
attributes[attributes_count] : 存放具体属性具体内容

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, 只能引用常量池中常量来描述

方法表集合

Class文件存储格式中对于方法的描述和对字段的描述几乎是一模一样的, 方法表的结构如同字段表一样, 依次包括了访问标志, 名称索引, 描述符索引, 属性表集合等

    u2             methods_count;//方法数量method_info    methods[methods_count];//一个类可以有个多个方法

方法表结构

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

因为 volatile 和 transient 修饰符不能修饰方法, 所以方法表的访问标志中没有这两个对应的标志, 但是增加了 synchronized , native , abstract 等关键字修饰方法, 所以也就多了这些关键字对应的标志

属性表集合

   u2             attributes_count;//此类的属性表中的属性数attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合

与 Class 文件中其他的数据项目要求严格的顺序, 长度, 内容不同, 属性表集合的限制稍微宽松一点, 不再要求各个属性表具有严格的顺序, 并且Java虚拟机规范允许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