JAVA虚拟机（三）- 图解类文件结构

谁践踏了优雅 2022-05-15 02:47 176阅读 0赞

# 类文件结构 #

![总览图-类文件结构][-]

# 结构图 #

java源文件,编译为class 之后. class文件的数据结构

![类文件结构][7d2380dc8aff4062d7d55eafbbb105c7.png]

将下面这段java源文件为例,分析class文件的数据结构

java 代码

@Deprecated
    public class ClassStruct implements Serializable {
    
        private int number = 3;
    
        public int getValue(){
            return number;
        }
    
    }

# 字节码 #

用UltraEdit x64 下, 16进制打开 ClassStruct.class 文件内容如下

基址:      二进制内容:                                       UTF-8 内容:
    00000000h: CA FE BA BE 00 00 00 34 00 1B 0A 00 04 00 16 09 ; 漱壕...4........
    00000010h: 00 03 00 17 07 00 18 07 00 19 07 00 1A 01 00 06 ; ................
    00000020h: 6E 75 6D 62 65 72 01 00 01 49 01 00 06 3C 69 6E ; number...I...<in
    00000030h: 69 74 3E 01 00 03 28 29 56 01 00 04 43 6F 64 65 ; it>...()V...Code
    00000040h: 01 00 0F 4C 69 6E 65 4E 75 6D 62 65 72 54 61 62 ; ...LineNumberTab
    00000050h: 6C 65 01 00 12 4C 6F 63 61 6C 56 61 72 69 61 62 ; le...LocalVariab
    00000060h: 6C 65 54 61 62 6C 65 01 00 04 74 68 69 73 01 00 ; leTable...this..
    00000070h: 15 4C 63 6F 6D 2F 61 79 61 2F 43 6C 61 73 73 53 ; .Lcom/aya/ClassS
    00000080h: 74 72 75 63 74 3B 01 00 08 67 65 74 56 61 6C 75 ; truct;...getValu
    00000090h: 65 01 00 03 28 29 49 01 00 0A 53 6F 75 72 63 65 ; e...()I...Source
    000000a0h: 46 69 6C 65 01 00 10 43 6C 61 73 73 53 74 72 75 ; File...ClassStru
    000000b0h: 63 74 2E 6A 61 76 61 01 00 0A 44 65 70 72 65 63 ; ct.java...Deprec
    000000c0h: 61 74 65 64 01 00 19 52 75 6E 74 69 6D 65 56 69 ; ated...RuntimeVi
    000000d0h: 73 69 62 6C 65 41 6E 6E 6F 74 61 74 69 6F 6E 73 ; sibleAnnotations
    000000e0h: 01 00 16 4C 6A 61 76 61 2F 6C 61 6E 67 2F 44 65 ; ...Ljava/lang/De
    000000f0h: 70 72 65 63 61 74 65 64 3B 0C 00 08 00 09 0C 00 ; precated;.......
    00000100h: 06 00 07 01 00 13 63 6F 6D 2F 61 79 61 2F 43 6C ; ......com/aya/Cl
    00000110h: 61 73 73 53 74 72 75 63 74 01 00 10 6A 61 76 61 ; assStruct...java
    00000120h: 2F 6C 61 6E 67 2F 4F 62 6A 65 63 74 01 00 14 6A ; /lang/Object...j
    00000130h: 61 76 61 2F 69 6F 2F 53 65 72 69 61 6C 69 7A 61 ; ava/io/Serializa
    00000140h: 62 6C 65 00 21 00 03 00 04 00 01 00 05 00 01 00 ; ble.!...........
    00000150h: 02 00 06 00 07 00 00 00 02 00 01 00 08 00 09 00 ; ................
    00000160h: 01 00 0A 00 00 00 38 00 02 00 01 00 00 00 0A 2A ; ......8........*
    00000170h: B7 00 01 2A 06 B5 00 02 B1 00 00 00 02 00 0B 00 ; ?.*.?.?......
    00000180h: 00 00 0A 00 02 00 00 00 06 00 04 00 09 00 0C 00 ; ................
    00000190h: 00 00 0C 00 01 00 00 00 0A 00 0D 00 0E 00 00 00 ; ................
    000001a0h: 01 00 0F 00 10 00 01 00 0A 00 00 00 2F 00 01 00 ; ............/...
    000001b0h: 01 00 00 00 05 2A B4 00 02 AC 00 00 00 02 00 0B ; .....*?.?.....
    000001c0h: 00 00 00 06 00 01 00 00 00 0C 00 0C 00 00 00 0C ; ................
    000001d0h: 00 01 00 00 00 05 00 0D 00 0E 00 00 00 03 00 11 ; ................
    000001e0h: 00 00 00 02 00 12 00 13 00 00 00 00 00 14 00 00 ; ................
    000001f0h: 00 06 00 01 00 15 00 00                         ; ........

约定规则:

1.  u1 u2 u4 分别表示 无符号整数1字节,无符号整数2字节,无符号整数4字节
2.  关于属性表和访问标志,全表内容请参见<深入理解JAVA虚拟机>第6章。 因为版面原因,只附上例子能用的上的表内容

## 魔数 ##

魔数长度为4个字节: `CA FE BA BE`. 唯一的作用就是标志这是一个CLASS文件。

## 主次版本 ##

1.  次版本: `[000000000+4]` 2个字节,`00 00`
2.  主版本: `[000000000+4]` 2个字节,`00 34`

主版本 `34` 的 10进制为 52 表示 JDK8

对应的版本  
![版本对应][8d414e06b28b4061fedf68df84e44d5f.png]

## 常量池 ##

JAVA 里面有很多常量池的概念。 这里的常量池是类文件常量池。

通常在JAVA里面说的常量池是 方法区中的`运行时常量池` . 他们不是同一个概念 .

常量池是一个很复杂的表结构

### 常量池结构 ###

1.  常量数量
2.  常量自定义结构

拿 html 的table 举例：

table 表示常量池  
但是常量池下面的结构却不仅仅是tr,tbody,thead.  
而是有14个以上的数据结构。 每个数据结构的子结构都不相同  
例如:

<常量池>
        <字符串表 长度="10">
          qwertasdfg
        </字符串表>
        <方法引用>
            <类表 常量池索引="9">
            </类表>
            <名字类型表 常量池索引="13">
            </名字类型表>
        </方法引用>
    </常量池>

事实上常量池的结构是非常紧凑的,和上面的描述完全不一样

接下来分析当前类的前6个属性表,并附上属性表图

> 简写常量表

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>常量</td> 
   <td>项目</td> 
   <td>类型</td> 
   <td>描述</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Utf8_info</td> 
   <td>tag</td> 
   <td>u1</td> 
   <td>值为1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>length</td> 
   <td>u2</td> 
   <td>UTF-8字符串编码长度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>bytes</td> 
   <td>length</td> 
   <td>长度为length的UTF-8编码字符串</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Class_info</td> 
   <td>tag</td> 
   <td>u1</td> 
   <td>值为7</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>index</td> 
   <td>u2</td> 
   <td>指向全限定名的常量池索引</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Field_info</td> 
   <td>tag</td> 
   <td>u1</td> 
   <td>值为9</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>index</td> 
   <td>u2</td> 
   <td>指向方法的类描述符 CONSTANT_Class_info的索引项</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>index</td> 
   <td>u2</td> 
   <td>指向方法的类描述符 CONSTANT_NameAndType 的索引项</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Methodref_into</td> 
   <td>tag</td> 
   <td>u1</td> 
   <td>值为10</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>index</td> 
   <td>u2</td> 
   <td>指向方法的类描述符 CONSTANT_Class_info的索引项</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>index</td> 
   <td>u2</td> 
   <td>指向方法的类描述符 CONSTANT_NameAndType 的索引项</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 常量池数量 ###

000000000+0x8 的两个字节 `00 1B` 表示常量池的总数: 1B 换成10进制就是 27.

表示常量池的数量是 27 - 1 = 26 个常量。

常量池下标从 1 开始。 0是预留的，用来表示不引用常量池的任何常量的意思

### 方法引用表 ###

000000000+0xA: `0x0A` 这里表示类型:CONSTANT\_Methodref\_info 表示是一个`方法引用表`

根据`简写常量表`的内容, 那么后面跟着的 两个u2类型的就是常量池索引`00 04 00 16` 分别是 类表索引和 名字类型表索引

接下来的层次分析如图:

![方法引用表图][30a47cf0a33c5a5ca82b1f1f99c917b8.png]

### 字段引用表 ###

000000000+0xE: `0x09` 这里表示类型:CONSTANT\_Fieldref\_info 表示是一个`字段引用表`

根据`简写常量表`的内容, 那么后面跟着的 两个u2类型的就是常量池索引`00 03 00 17` 和方法引用表的结构一模一样

![字段引用表图][8b58eb527a80960cd65601f78c513b88.png]

### 类表 ###

接下来的三个类表分别指向索引为 18,19,1A 索引的常量

07 00 18 
    07 00 19 
    07 00 1A

![类表图][72bb3adebb06fe96ee6393e2a7672860.png]

### 字符串表 ###

接下来的字符串表: `01 00 06 6E 75 6D 62 65 72`

1.  01标志:表示是一个字符串
2.  长度为6
3.  内容: number

![字符串表][77a77476204810f7e0bbf20978706653.png]

后面还有很多相同的结构不一一赘述了. 使用javap -v com/aya/ClassStruct 帮我们反编译出常量池的具体内容如下:

Cconstant pool:
       #1 = Methodref          #4.#22         // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Fieldref           #3.#23         // com/aya/ClassStruct.number:I
       #3 = Class              #24            // com/aya/ClassStruct
       #4 = Class              #25            // java/lang/Object
       #5 = Class              #26            // java/io/Serializable
       #6 = Utf8               number
       #7 = Utf8               I
       #8 = Utf8               <init>
       #9 = Utf8               ()V
      #10 = Utf8               Code
      #11 = Utf8               LineNumberTable
      #12 = Utf8               LocalVariableTable
      #13 = Utf8               this
      #14 = Utf8               Lcom/aya/ClassStruct;
      #15 = Utf8               getValue
      #16 = Utf8               ()I
      #17 = Utf8               SourceFile
      #18 = Utf8               ClassStruct.java
      #19 = Utf8               Deprecated
      #20 = Utf8               RuntimeVisibleAnnotations
      #21 = Utf8               Ljava/lang/Deprecated;
      #22 = NameAndType        #8:#9          // "<init>":()V
      #23 = NameAndType        #6:#7          // number:I
      #24 = Utf8               com/aya/ClassStruct
      #25 = Utf8               java/lang/Object
      #26 = Utf8               java/io/Serializable

## 访问标志 ##

常量池结束后的u2类型的字段`00 21`表示类的访问标志。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>标志名称</td> 
   <td>标志值</td> 
   <td>含义</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_PUBLIC</td> 
   <td>0x0001</td> 
   <td>是否为public类型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_SUPER</td> 
   <td>0x0020</td> 
   <td>是否允许使用 invokespecial指令的新语义，在JDK 1.0.2 之后标志必须为真</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

这里就已经明确了类的访问标志 : `public`

## 类父类接口索引 ##

类索引 `00 03` ,通过常量池表得到是: `com/aya/ClassStruct`

父类索引 `00 04` ,通过常量池表得到是: `java/lang/Object`

接口索引 是一个表:  
`00 01 00 05` 表示实现了一个接口,接口的常量池索引是5.

通过常量池表得到是: `java/io/Serializable`

## 字段表集合 ##

`00 01 00 02 00 06 00 07 00 00`

1.  `00 01` 字段数量
2.  `00 02` 访问标志
3.  `00 06` 名字索引
4.  `00 07` 描述符索引
5.  `00 00` 属性表

> 字段访问标志表:

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>标志名称</td> 
   <td>标志值</td> 
   <td>含义</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_PRIVATE</td> 
   <td>0x0001</td> 
   <td>字段是否为private</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

> 描述符标志:

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>标志名称</td> 
   <td>含义</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>B</td> 
   <td>基本类型byte</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>C</td> 
   <td>基本类型char</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>I</td> 
   <td>基本类型int</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>L</td> 
   <td>对象类型,如Ljava/lang/Object</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![字段图][011da5025360974f546e2c342d7d61dd.png]

## 方法表集合 ##

位置: 00000150h+0x7

方法表: `00 02 00 01 00 08 00 09 00 01 00 0A`

含义:

1.  `00 02` 两个方法
2.  `00 01` 访问标志
3.  `00 08` 名称索引
4.  `00 09` 描述符索引
5.  `00 01` 属性表数量
6.  `00 0A` 属性表名称索引

> 方法访问标志

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>标志名称</td> 
   <td>标志值</td> 
   <td>含义</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_PUBLIC</td> 
   <td>0x0001</td> 
   <td>方法是否为public</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

根据前面3个的内容  
`01 08 09` ,获得方法信息: public V() ()\{\}

表示类的构造方法。也就是:`public ClassStruct(){}`.

> 无参构造是由javac编译器编译成class文件时,写入字节码中的

这里只有方法的描述,那方法的内容去哪里了呢? 方法的内容在方法的属性表里面

表示无参构造有一个属性表, 属性表的名称索引`0x0A` 引用的是 Code 字符串。

### code属性表结构 ###

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>类型</td> 
   <td>名称</td> 
   <td>数量</td> 
   <td>含义</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>attribute_name_index</td> 
   <td>1</td> 
   <td>属性表索引. Code 表示Code属性表</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u4</td> 
   <td>attribute_length</td> 
   <td>1</td> 
   <td>属性表长度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>max_stack</td> 
   <td>1</td> 
   <td>操作数栈数量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>max_locals</td> 
   <td>1</td> 
   <td>局部变量表数量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u4</td> 
   <td>code_length</td> 
   <td>1</td> 
   <td>代码长度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>code</td> 
   <td>code_length</td> 
   <td>代码内容</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>exception_table_length</td> 
   <td>1</td> 
   <td>异常表长度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>exception_table</td> 
   <td>exception_table_length</td> 
   <td>异常表, 表示 catch 捕捉的字节码区域</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>attribute_count</td> 
   <td>1</td> 
   <td>Code属性表的属性表</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>attribute</td> 
   <td>attribute_count</td> 
   <td>Code属性表的属性表长度</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 方法内容 ###

1.  属性表索引: `00 0A` 字符串:Code
2.  属性表长度 `00 00 00 38` 长度为:`56`
3.  操作数栈数量: `00 02` 操作数栈为2
4.  局部变量表数量: `00 01` 局部表量表为1 (this占用的局部变量表第一个)\\
5.  代码长度: `00 00 00 0A` 长度为:`10`
6.  代码内容: `2A B7 00 01 2A 06 B5 00 02 B1`
7.  异常表长度: `00 00`
8.  属性表长度: `00 02`

代码内容已经确定了, 为什么还有属性表呢? 属性表有什么内容呢?

### 方法内容属性表-行号表 ###

行号表:  
`0B 00 00 00 0A 00 02 00 00 00 06 00 04 00 09 00`

1.  LineNumberTable
2.  长度为 10
3.  内容:`00 02 00 00 00 06 00 04 00 09 00`

第一个`00 0B` 对应常量池的`LineNumberTable`, 记录了java源文件和class文件的行号对应。

可以通过参数取消生成行号表, 取消行号表之后就无法调试了

后面行号表的具体内容就不进行分析了

### 方法内容属性表-本地变量表 ###

本地变量表: `0C 00 00 00 0C 00 01 00 00 00 0A 00 0D 00 0E 00 00 00`

1.  类型标志:`0C` 常量池索引,对应的常量 `LocalVariableTable`
2.  长度为 `0xC` 长度为12
3.  内容: `00 01 00 00 00 0A 00 0D 00 0E 00 00 00`

![方法属性表][96eee15cbfccbd048c6d952892655640.png]

### 方法表2-getValue ###

`01 00 0F 00 10 00 01 00 0A`

1.  `00 01` 访问标志 `public`
2.  `00 0F` 名称索引 `getValue`
3.  `00 10` 描述符索引 `()I`
4.  `00 01` 属性表数量 `1`
5.  `00 0A` 属性表名称索引 `Code`

和构造方法一样的分析.

方法定义: `public int getValue()`;

这里不再赘述方法结构的具体内容

这里通过`00 00 00 2F` 获得属性表长度为 47. 进行接下来的分析

000001b0h:                   01 00 0A 00 00 00 2F 00 01 00 ; ............/...
    000001b0h: 01 00 00 00 05 2A B4 00 02 AC 00 00 00 02 00 0B ; .....*?.?.....
    000001c0h: 00 00 00 06 00 01 00 00 00 0C 00 0C 00 00 00 0C ; ................
    000001d0h: 00 01 00 00 00 05 00 0D 00 0E 00 00

## 类的属性表 ##

类属性表内容:

00 03 00 11 ; ................
    000001e0h: 00 00 00 02 00 12 00 13 00 00 00 00 00 14 00 00 ; ................
    000001f0h: 00 06 00 01 00 15 00 00

`00 03`, 表示类的属性表有3个属性

类的属性表的相关含义:

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>标志</td> 
   <td>长度</td> 
   <td>内容</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>常量池索引0x11,对应 SourceFile</td> 
   <td>0x02</td> 
   <td>常量池索引0x12,对应: ClassStruct.java</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>常量池索引0x13,对应 Deprecated</td> 
   <td>0x00</td> 
   <td>表示类被标记为@Deprecated</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>常量池索引0x14,对应 RuntimeVisibleAnnotations</td> 
   <td>0x06</td> 
   <td>内容: 00 01 00 15 00 00</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

类属性表图:

![类属性表][4b4df7ae20672869a9b71eac18342cd0.png]

# 总结 #

到此为止,图解class文件结构就结束了。

关于`字节码的内容`,`行号属性表` 等相关内容,都没有深入的说明,这里只是为了让新手更容易理解class文件结构而已。

要深入理解还是要 `看书`\+`Java虚拟机规范` 才可以

[-]: /images/20220515/7d02a929a1a34a218e6c348e6ea7c08c.png
[7d2380dc8aff4062d7d55eafbbb105c7.png]: /images/20220515/1d72abbc7c084f4fa0a892ea62e5402c.png
[8d414e06b28b4061fedf68df84e44d5f.png]: /images/20220515/be2cf7df735943f5ad0a916ec6664334.png
[30a47cf0a33c5a5ca82b1f1f99c917b8.png]: /images/20220515/0d2eda5ac96e403093adc38344ba74ce.png
[8b58eb527a80960cd65601f78c513b88.png]: /images/20220515/067fd5e135c441f081fbdd9a1e3a5191.png
[72bb3adebb06fe96ee6393e2a7672860.png]: /images/20220515/17090ae78e244201874aa3377214a01a.png
[77a77476204810f7e0bbf20978706653.png]: /images/20220515/8dedc99851be4ecaa21c5d53afcd740d.png
[011da5025360974f546e2c342d7d61dd.png]: /images/20220515/4b5f92d1ee6949468a73ac12265acf95.png
[96eee15cbfccbd048c6d952892655640.png]: /images/20220515/c32e7b9b4cbc4ecebd96eceb6e29ef77.png
[4b4df7ae20672869a9b71eac18342cd0.png]: /images/20220515/62cb17ddef6046a4a27ac823273ad84a.png