Java虛擬機和Class檔案是Java實作系統無關性的基石，

Class檔案是JVM實作語言無關性的基石，

Class檔案中包含了Java虛擬機指令集、符號表以及若干其他輔助資訊，

每一個 Class 檔案對應于一個如下所示的 ClassFile 結構體：

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];
}

簡單看一下各項的含義：

由于 Class 檔案結構沒有任何分隔符，所以無論是每個資料項的的順序還是數量，都是嚴格限定的，哪個位元組代表什么含義，長度多少，先后順序如何，都是不允許改變的，

接下來我們來具體學習每項的含義，

1、魔數

這是基本上每個Java開發人員的第一個Java程式：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("Hello World");
    }
}

我使用的是Idea工具，運行，target目錄下會生成對應的class檔案，為了查看檔案的十六進制資訊，我們可以安裝一個插件HexView，

安裝完成之后，選擇class檔案，右鍵 HexView，打開后的十六進制如下：

第一行中有一串特殊的字符 cafebabe，它就是一個魔數，是 JVM 識別 class 檔案的標志，JVM 會在驗證階段檢查 class 檔案是否以該魔數開頭，如果不是則會拋出 ClassFormatError，

這段位元組很有意思——咖啡寶貝，Java原來不止是咖啡，還是寶貝😂

2、版本號

緊跟著魔數后面的四個位元組 0000 0031 存盤的是 class 檔案的版本號：第 5 和第 6 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），

Java的版本號是從 45 開始的，JDK1.1 之后的每個 JDK 大版本發布主版本號向上加1（JDK1.0_{JDK1.1使用了45.0}45.3的版本號），高版本的 JDK 能向下兼容以前版本的 Class 檔案，但不能運行以后版本的 Class 檔案，即使檔案格式未發生變化，

0000 0031 對應的十進制為49，是JDK8的內部版本號，

3、常量池

緊接著主、次版本號之后的是常量池入口，

由于常量池中常量的數量是不固定的，所以在常量池的入口需要放置一項u2型別的資料，代表常量池容量計數值（constant_pool_count），與Java中語言習慣不同，這個容量計數是從1而不是0開始的，

如圖所示，常量池容量為十六進制數0x0022，即十進制的34，這就代表常量池中有33項常量，索引值范圍為1～33，Class檔案結構中只有常量池的容量計數是從1開始，對于其他集合型別，包括介面索引集合、欄位表集合、方法表集合等的容量計數都與一般習慣相同，是從0開始，

常量池中主要存放兩大類常量：字面量（Literal）和符號參考（Symbolic References），字面量比較接近于Java語言層面的常量概念，如文本字串、被宣告為final的常量值等，而符號參考則屬于編譯原理方面的概念，主要包括下面幾類常量：

• 被模塊匯出或者開放的包（Package）

• 類和介面的全限定名（Fully Qualified Name）

• 欄位的名稱和描述符（Descriptor）

• 方法的名稱和描述符

• 方法句柄和方法型別（Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic）

• 動態呼叫點和動態常量（Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant）

這17類常量結構只有一個相同之處，表結構起始的第一位是個u1型別的標志位（tag），代表著當前常量屬于哪種常量型別，

17種常量型別所代表的具體含義如表所示：

常量池非常繁瑣，17種常量型別各自有著完全獨立的資料結構，彼此之間沒有什么共性和聯系，

我們直接看一下常量池中的17種資料型別的結構總表：

4、訪問標志

在常量池結束之后，緊接著的2個位元組代表訪問標志（access_flags），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，是否被宣告為final等等，

具體的標志位以及標志的含義如表：

access_flags中一共有16個標志位可以使用，當前只定義了其中9個，沒有使用到的標志位要求一 律為零，

5、類索引、父類索引與介面索引集合

這三者為什么放在一起呢？因為這三者用來確定類的繼承關系，

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，由于Java語言不允許多重繼承，所以父類索引只有一個，除了java.lang.Object之外，所有的Java類都有父類，因此除了 java.lang.Object外，所有Java類的父類索引都不為0，

介面索引集合就用來描述這個類實作了哪些介面，這些被實作的介面將按implements關鍵字（后的介面順序從左到右排列在介面索引集合中，

6、欄位表集合

介面索引結束后，接著是欄位表（field_info），它用于描述介面或者類中宣告的變數——這里的欄位（Field）只包括類級變數以及實體級變數，不包括在方法內部宣告的區域變數，

描述的主要資訊包括：

①、欄位的作用域（public，protected，private修飾）

②、是類級變數還是實體級變數（static修飾）

③、是否可變（final修飾）

④、并發可見性（volatile修飾，是否強制從主從讀寫）

⑤、是否可序列化（transient修飾）

⑥、欄位資料型別（8種基本資料型別，物件，陣列等參考型別）

⑦、欄位名稱

欄位表的結構如下：

access_flags是該欄位的的訪問標志，它和類中的訪問標志很類似，用以描述該欄位的權限型別：private、protected、public；并發可見性：volatile；可變性：final；

訪問標志詳情如下圖所示：

由于Java語法規則的約束，ACC_PUBLIC、ACC_PRIVATE、ACC_PROTECTED三個標志最多只能選擇其一，ACC_FINAL、ACC_VOLATILE不能同時選擇，介面之中的欄位必須有ACC_PUBLIC、ACC_STATIC、ACC_FINAL標志，

7、方法表集合

方法表的結構如同欄位表一樣，依次包括訪問標志（access_flags）、名稱索引（name_index）、描述符索引（descriptor_index）、屬性表集合（attributes）幾項，如表所示：

有區別的部分只有方法訪問標志access_flag, 因為volatile關鍵字和transient關鍵字不能修飾方法，

方法表標志位及其取值如下：

8、屬性表集合

接下來終于到了最后一項：屬性表集合，

前面提到的Class檔案、欄位表、方法表都可以攜帶自己的屬性表集合，就是參考的這里，

屬性表集合中的屬性如下所示：

與Class檔案中其他的資料專案要求嚴格的順序、長度和內容不同，屬性表集合的限制寬松一些，不再要求各個屬性表具有嚴格順序，并且《Java虛擬機規范》允許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虛擬機運行時會忽略掉它不認識的屬性，

參考：

【1】：《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》第三版

【2】：《Java虛擬機規范(Java_SE_7)》

【3】：jvms/se8

【4】：Java虛擬機詳解（九）------類檔案結構

【5】：一把小刀，直插 class 檔案的小心臟

【6】：JVM系列(二)-位元組碼檔案結構(基礎篇)