JVM虛擬機Class類檔案研究分析-有解無憂

前言

為了研究Class檔案,先撰寫一個最簡單的代碼:

package com.courage;
public class T0100_ByteCode01 {
}

之所以說最簡單,是因為這個類里面任何方法,變數都沒有,看看編譯之后Class檔案的16進制代碼:

在解讀上面的Class檔案(后面沒有特殊生命的話都是指16進制)之前,需要先學習幾個前置知識,Java 虛擬機規范規定 Class 檔案格式采用一種類似與 C 語言結構體的微結構體來存盤資料，這種偽結構體中只有兩種資料型別：無符號數和表，

無符號數屬于基本的資料型別，以 u1、u2、u4、u8來分別代表 1 個位元組、2 個位元組、4 個位元組和 8 個位元組的無符號數，無符號數可以用來描述數字、索引參考、數量值或者按照 UTF-8 編碼結構構成的字串值，
表是由多個無符號數或者其他表作為資料項構成的復合資料型別，所有表都習慣性地以「_info」結尾，表用于描述有層次關系的復合結構的資料，整個 Class 檔案就是一張表，它由下表中所示的資料項構成，

有了無符號數這個概念,就可以根據虛擬機規范來解讀上面的檔案了:

型別	名稱	含義	數量
u4	magic	魔數,不變	1
u2	minor_version	小版本號:JDK 8_255u中的255u	1
u2	major_version	大版本號,JDK 8_255u中的8	1
u2	constant_pool_count	常量池數量	1
cp_info	constant_pool	常量池	constant_pool_count-1
u2	access_flags	訪問修飾符 public static 等	1
u2	this_class	當前類	1
u2	super_class	父類	1
u2	interfaces_count	介面數量	1
u2	interfaces	介面	interfaces_count
u2	fields_count	變數數量	1
field_info	fields	變數	fields_count
u2	methods_count	方法數量	1
method_info	methods	方法	methods_count
u2	attributes_count	屬性數量	1
attribute_info	attributes	屬性	attributes_count

所有的Class檔案里面的屬性都按照上表的規則排序,中間沒有空行或其他轉義字符，哪個位元組代表什么含義，長度是多少，先后順序如何都是被嚴格限制的，不允許有任何改變，

魔數與 Class 檔案版本

每個 Class 檔案的頭 4 個位元組稱為魔數（Magic Number），它的唯一作用是確定這個檔案是否為一個能被虛擬機接收的 Calss 檔案，之所以使用魔數而不是檔案后綴名來進行識別主要是基于安全性的考慮，因為檔案后綴名是可以隨意更改的，Class 檔案的魔數值為「0xCAFEBABE」，

緊接著魔數的 4 個位元組存盤的是 Class 檔案的版本號：第 5 和第 6 兩個位元組是次版本號（Minor Version），第 7 和第 8 個位元組是主版本號（Major Version），高版本的 JDK 能夠向下兼容低版本的 Class 檔案，虛擬機會拒絕執行超過其版本號的 Class 檔案，

常量池

主版本號之后是常量池入口，常量池可以理解為 Class 檔案之中的資源倉庫，它是 Class 檔案結構中與其他專案關聯最多的資料型別，也是占用 Class 檔案空間最大的資料專案之一，同是它還是 Class 檔案中第一個出現的表型別資料專案，

因為常量池中常量的數量是不固定的，所以在常量池入口需要放置一個 u2 型別的資料來表示常量池的容量「constant_pool_count」，和計算機科學中計數的方法不一樣，這個容量是從 1 開始而不是從 0 開始計數，之所以將第 0 項常量空出來是為了滿足后面某些指向常量池的索引值的資料在特定情況下需要表達「不參考任何一個常量池專案」的含義，這種情況可以把索引值置為 0 來表示，

Class 檔案結構中只有常量池的容量計數是從 1 開始的，其它集合型別，包括介面索引集合、欄位表集合、方法表集合等容量計數都是從 0 開始，

常量池中主要存放兩大類常量：字面量和符號參考，

字面量比較接近 Java 語言層面的常量概念，如字串、宣告為 final 的常量值等，
符號參考屬于編譯原理方面的概念，包括了以下三類常量：
- 類和介面的全限定名
- 欄位的名稱和描述符
- 方法的名稱和描述符

常量池17種資料型別的結構表

訪問標志

緊接著常量池之后的兩個位元組代表訪問標志（access_flag），這個標志用于識別一些類或者介面層次的訪問資訊，包括這個 Class 是類還是介面；是否定義為 public 型別；是否定義為 abstract 型別；如果是類的話，是否被申明為 final 等，具體的標志位以及標志的含義見下表：

標志名稱	標志值	含義
ACC_PUBLIC	0x0001	是否為 public 型別
ACC_FINAL	0x0010	是否被宣告為 final，只有類可設定
ACC_SUPER	0x0020	是否允許使用 invokespecial 位元組碼指令的新語意，invokespecial 指令的語意在 JKD 1.0.2 中發生過改變，微聊區別這條指令使用哪種語意，JDK 1.0.2 編譯出來的類的這個標志都必須為真
ACC_INTERFACE	0x0200	標識這是一個介面
ACC_ABSTRACT	0x0400	是否為 abstract 型別，對于介面或者抽象類來說，此標志值為真，其它類值為假
ACC_SYNTHETIC	0x1000	標識這個類并非由用戶代碼產生
ACC_ANNOTATION	0x2000	標識這是一個注解
ACC_ENUM	0x4000	標識這是一個列舉

access_flags 中一共有 16 個標志位可以使用，當前只定義了其中的 8 個，沒有使用到的標志位要求一律為 0，

類索引、父類索引與介面索引集合

類索引（this_class）和父類索引（super_class）都是一個 u2 型別的資料，而介面索引集合（interfaces）是一組 u2 型別的資料集合，Class 檔案中由這三項資料來確定這個類的繼承關系，

類索參考于確定這個類的全限定名
父類索參考于確定這個類的父類的全限定名
介面索引集合用于描述這個類實作了哪些介面

欄位表集合

欄位表集合（field_info）用于描述介面或者類中宣告的變數，欄位（field）包括類變數和實體變數，但不包括方法內部宣告的區域變數，下面我們看看欄位表的結構：

型別	名稱	數量
u2	access_flag	1
u2	name_index	1
u2	descriptor_index	1
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

欄位修飾符放在 access_flags 中，它與類中的 access_flag 非常相似，都是一個 u2 的資料型別，

標志名稱	標志值	含義
ACC_PUBLIC	0x0001	欄位是否為 public
ACC_PRIVATE	0x0002	欄位是否為 private
ACC_PROTECTED	0x0004	欄位是否為 protected
ACC_STATIC	0x0008	欄位是否為 static
ACC_FINAL	0x0010	欄位是否為 final
ACC_VOLATILE	0x0040	欄位是否為 volatile
ACC_TRANSIENT	0x0080	欄位是否為 transient
ACC_SYNTHETIC	0x1000	欄位是否由編譯器自動生成
ACC_ENUM	0x4000	欄位是否為 enum

方法表集合

Class 檔案中對方法的描述和對欄位的描述是完全一致的，方法表中的結構和欄位表的結構一樣，

因為 volatile 關鍵字和 transient 關鍵字不能修飾方法，所以方法表的訪問標志中沒有 ACC_VOLATILE 和 ACC_TRANSIENT，與之相對的，synchronizes、native、strictfp 和 abstract 關鍵字可以修飾方法，所以方法表的訪問標志中增加了 ACC_SYNCHRONIZED、ACC_NATIVE、ACC_STRICTFP 和 ACC_ABSTRACT 標志，

對于方法里的代碼，經過編譯器編譯成位元組碼指令后，存放在方法屬性表中一個名為「Code」的屬性里面，

屬性表集合

在 Class 檔案、欄位表、方法表中都可以攜帶自己的屬性表（attribute_info）集合，用于描述某些場景專有的資訊，

屬性表集合不像 Class 檔案中的其它資料項要求這么嚴格，不強制要求各屬性表的順序，并且只要不與已有屬性名重復，任何人實作的編譯器都可以向屬性表中寫入自己定義的屬性資訊，Java 虛擬機在運行時會略掉它不認識的屬性，

下面就可以對類檔案逐行分析了:

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標籤：Java

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