类文件结构

ゝ一世哀愁。 2022-07-12 05:19 152阅读 0赞

Class类文件结构

任何一个Class文件都对应着唯一一个类或接口的定义信息，但反过来说，类或接口并不一定都得定义在文件里（譬如类或接口也可以通过类加载器直接生成）。   
   Class文件是一组以8位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Class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位字节以上空间的数据项时，则会按照高位在前（最高位字节在地址最低位、最低位字节在地址最高位）的方式分割成若干个8位字节进行存储。  
   根据Java虚拟机规范的规定，Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构中只有两种数据类型：无符号数和表，后面的解析都要以这两种数据类型为基础，所以这里要先介绍这两个概念。  
   无符号数属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、 索引引用、 数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值。  
   表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，所有表都习惯性地以“\_info”结尾。 表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上就是一张表。

class文件格式

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magic和版本

每个Class文件的头4个字节称为魔数（Magic Number），它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。使用魔数而不是扩展名来进行识别主要是基于安全方面的考虑，因为文件扩展名可以随意地改动。 文件格式的制定者可以自由  
地选择魔数值，只要这个魔数值还没有被广泛采用过同时又不会引起混淆即可。 Class文件的魔数的值为：0xCAFEBABE。  
   紧接着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号：第5和第6个字节是次版本号（Minor Version），第7和第8个字节是主版本号（Major Version）。  Java的版本号是从45开始的，JDK 1.1之后的每个JDK大版本发布主版本号向上加1（JDK 1.0～1.1使用了45.0～45.3的版本号），高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但不能运行以后版本的Class文件。  
常量池

紧接着主次版本号之后的是常量池入口，常量池可以理解为Class文件之中的资源仓库，它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据类型，也是占用Class文件空间最大的数据项目之一，同时它还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目。  
   由于常量池中常量的数量是不固定的，所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的数据，代表常量池容量计数值（constant\_pool\_count）。 与Java中语言习惯不一样的是，这个容量计数是从1而不是0开始的。在Class文件格式规范制定之时，设计者将第0项常量空出来是有特殊考虑的，这样做的目的在于满足后面某些指向常量池的索引值的数据在特定情况下需要表达“不引用任何一个常量池项目”的含义，这种情况就可以把索引值置为0来表示。Class文件结构中只有常量池的容量计数是从1开始，对于其他集合类型，包括接口索引集合、 字段表集合、 方法表集合等的容量计数都与一般习惯相同，是从0开始的。  
   常量池中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References）。字面量比较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、 声明为final的常量值等。 而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了下面三类常量：  
类和接口的全限定名（Fully Qualified Name），字段的名称和描述符（Descriptor），方法的名称和描述符。  
   常量池中每一项常量都是一个表，在JDK 1.7之前共有11种结构各不相同的表结构数据，在JDK 1.7中为了更好地支持动态语言调用，又额外增加了3种。这14种表都有一个共同的特点，就是表开始的第一位是一个u1类型的标志位，代表当前这个常量属于哪种常量类型。

访问标志

在常量池结束之后，紧接着的两个字节代表访问标志（access\_flags），这个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；是否定义为public类型；是否定义为abstract类型；如果是类的话，是否被声明为final等。  
   access\_flags中一共有16个标志位可以使用，当前只定义了其中8个，没有使用到的标志位要求一律为0。   
类索引，父索引，接口索引

类索引（this\_class）和父类索引（super\_class）都是一个u2类型的数据，而接口索引集合（interfaces）是一组u2类型的数据的集合，Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系。 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语言不允许多重继承，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。 接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口，这些被实现的接口将按implements语句（如果这个类本身是一个接口，则应当是extends语句）后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。  
字段表

字段表（field\_info）用于描述接口或者类中声明的变量。字段（field）包括类级变量以及实例级变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。  
   可以包括的信息有：字段的作用域（public、private、protected修饰符）、 是实例变量还是类变量（static修饰符）、 可变性（final）、 并发可见性（volatile修饰符，是否强制从主内存读写）、 可否被序列化（transient修饰符）、 字段数据类型（基本类型、 对象、 数组）、 字段名称。  
方法表

Class文件存储格式中对方法的描述与对字段的描述几乎采用了完全一致的方式，方法表的结构如同字段表一样，依次包括了访问标志（access\_flags）、 名称索引（name\_index）、 描述符索引（descriptor\_index）、 属性表集合（attributes）几项。  
   方法里的Java代码，经过编译器编译成字节码指令后，存放在方法属性表集合中一个名为“Code”的属性里面。  
属性表

Code属性

Java程序方法体中的代码经过Javac编译器处理后，最终变为字节码指令存储在Code属性内。Code属性出现在方法表的属性集合之中，但并非所有的方法表都必须存在这个属性，譬如接口或者抽象类中的方法就不存在Code属性。

Exceptions属性

Exceptions属性的作用是列举出方法中可能抛出的受查异常（Checked Excepitons），也就是方法描述时在throws关键字后面列举的异常。  
  
LineNumberTable属性  
   LineNumberTable属性用于描述Java源码行号与字节码行号（字节码的偏移量）之间的对应关系。 它并不是运行时必需的属性，但默认会生成到Class文件之中，可以在Javac中分别使用\-g：none或\-g：lines选项来取消或要求生成这项信息。  
LocalVariableTable属性  
   LocalVariableTable属性用于描述栈帧中局部变量表中的变量与Java源码中定义的变量之间的关系，它也不是运行时必需的属性，但默认会生成到Class文件之中，可以在Javac中分别使用\-g：none或\-g：vars选项来取消或要求生成这项信息。   
  
SourceFile属性  
   SourceFile属性用于记录生成这个Class文件的源码文件名称。 这个属性也是可选的，可以分别使用Javac的\-g：none或\-g：source选项来关闭或要求生成这项信息。  
ConstantValue属性  
   ConstantValue属性的作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值。 只有被static关键字修饰的变量（类变量）才可以使用这项属性。

InnerClasses属性

InnerClasses属性用于记录内部类与宿主类之间的关联。 如果一个类中定义了内部类，那编译器将会为它以及它所包含的内部类生成InnerClasses属性。  
Deprecated和Synthetic属性  
   Deprecated和Synthetic两个属性都属于标志类型的布尔属性，只存在有和没有的区别，没有属性值的概念。  
   Deprecated属性用于表示某个类、 字段或者方法，已经被程序作者定为不再推荐使用，它可以通过在代码中使用@deprecated注释进行设置。  
   Synthetic属性代表此字段或者方法并不是由Java源码直接产生的，而是由编译器自行添加的。  
等等属性。

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