Class 文件的结构

谁践踏了优雅 2022-11-19 12:58 157阅读 0赞

Class 文件包含了 Java 虚拟机的指令集、符号表、辅助信息的字节码(Byte Code)，是实现跨操作系统和语言无关性的基石之一。

一个 Class 文件定义了一个类或接口的信息，是以 8 个字节为单位，没有分隔符，按顺序紧凑排在一起的二进制流。

用 "无符号数" 和 "表" 组成的伪结构来存储数据。

*  无符号数：基本数据类型，用来描述数字、索引引用、数量值、字符串值，如u1、u2 分别表示 1 个字节、2 个字节
 *  表：无符号数和其他表组成，命名一般以 "\_info" 结尾

### **组成部分** ###

**1、魔数 Magic Number**

*  Class 文件头 4 个字节，0xCAFEBABE
 *  作用是确定该文件是 Class 文件

**2、版本号**

*  4 个字节，前 2 个是次版本号 Minor Version，后 2 个主版本号 Major Version
 *  从 45 (JDK1.0) 开始，如 0x00000032 转十进制就是 50，代表 JDK 6
 *  低版本的虚拟机跑不了高版本的 Class 文件

**3、常量池**

*  常量容量计数值(constant\_pool\_count)，u2，从 1 开始。如 0x0016 十进制 22 代表有 21 项常量
 *  每项常量都是一个表，目前 17 种

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>类型</td> 
   <td>标志</td> 
   <td>描述</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Utf8_info</td> 
   <td>1</td> 
   <td>UTF-8&nbsp;编码的字符串</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Integer_info</td> 
   <td>3</td> 
   <td>整型字面量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Float_info</td> 
   <td>4</td> 
   <td>浮点型字面量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Long_info</td> 
   <td>5</td> 
   <td>长整型字面量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Double_info</td> 
   <td>6</td> 
   <td>双精度浮点型字面量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Class_info</td> 
   <td>7</td> 
   <td>类或接口的符号引用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_String_info</td> 
   <td>8</td> 
   <td>字符串类型字面量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Fieldref_info</td> 
   <td>9</td> 
   <td>字段的符号引用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Methodref_info</td> 
   <td>10</td> 
   <td>类中的方法的符号引用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_InterfaceMethodref_info</td> 
   <td>11</td> 
   <td>接口方法的符号引用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_NameAndType_info</td> 
   <td>12</td> 
   <td>字段或方法的部分符号引用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_MethodHandle_info</td> 
   <td>15</td> 
   <td>方法句柄</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_MethodType_info</td> 
   <td>16</td> 
   <td>方法类型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Dynamic_info</td> 
   <td>17</td> 
   <td>动态计算常量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_InvokeDynamic_info</td> 
   <td>18</td> 
   <td>动态方法调用点</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Module_info</td> 
   <td>19</td> 
   <td>模块</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>CONSTANT_Package_info</td> 
   <td>20</td> 
   <td>模块中开发或导出的包</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  常量池存放字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)
 *  特点：Class 文件中最大数据项目之一、第一个出现表数据结构

**4、访问标志**

*  2 个字节，表示类或接口的访问标志

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>标志</td> 
   <td>值</td> 
   <td>描述</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_PUBLIC</td> 
   <td>0x0001</td> 
   <td>public 类型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_FINAL</td> 
   <td>0x0010</td> 
   <td>final 类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_SUPER</td> 
   <td>0x0020</td> 
   <td>使用 invokespecial</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_INTERFACE</td> 
   <td>0x0200</td> 
   <td>接口</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_ABSTRACT</td> 
   <td>0x0400</td> 
   <td>abstract 类型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_SYNTHETIC</td> 
   <td>0x1000</td> 
   <td>非 Java 代码产生</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_ANNOTATION</td> 
   <td>0x2000</td> 
   <td>注解</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_ENUM</td> 
   <td>0x4000</td> 
   <td>枚举</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_MODULE</td> 
   <td>0x8000</td> 
   <td>模块</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**5、类索引、父类索引、接口索引集合**

*  类索引(this\_class)、父类索引(super\_class)，u2
 *  接口索引集合(interfaces)，u2 集合
 *  类索引确定类的全限定名、父类索引确定父类的全限定名、接口索引集合确定实现接口
 *  索引值在常量池中查找对应的常量

**6、字段表(field\_info)集合**

*  描述接口或类申明的变量
 *  fields\_count，u2，表示字段表数量；后面接着相应数量的字段表
 *  9 种字段访问标志

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>标志</td> 
   <td>值</td> 
   <td>描述</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_PUBLIC</td> 
   <td>0x0001</td> 
   <td>public 字段</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_PRIVATE</td> 
   <td>0x0002</td> 
   <td>private 字段</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_PROTECTED</td> 
   <td>0x0004</td> 
   <td>protected 字段</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_STATIC</td> 
   <td>0x0008</td> 
   <td>static 字段</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_FINAL</td> 
   <td>0x0010</td> 
   <td>final 字段</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_VOLATILE</td> 
   <td>0x0040</td> 
   <td>volatile 字段</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_TRANSIENT</td> 
   <td>0x0080</td> 
   <td>transient 字段</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_SYNTHENTIC</td> 
   <td>0x1000</td> 
   <td>编译器生成字段</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_ENUM</td> 
   <td>0x4000</td> 
   <td>enum 字段</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  字段表结构

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>类型</td> 
   <td>名称</td> 
   <td>数量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>access_flags</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>name_index</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>descripor_index</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>attributes_count</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>attribute_info</td> 
   <td>attributes</td> 
   <td>attributes_count</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**7、方法表(method\_info)集合**

*  描述接口或类申明的方法
 *  methods\_count，u2，表示方法表数量；后面接着相应数量的方法表
 *  12 种方法访问标志

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>标志</td> 
   <td>值</td> 
   <td>描述</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_PUBLIC</td> 
   <td>0x0001</td> 
   <td>public 方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_PRIVATE</td> 
   <td>0x0002</td> 
   <td>private 方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_PROTECTED</td> 
   <td>0x0004</td> 
   <td>protected 方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_STATIC</td> 
   <td>0x0008</td> 
   <td>static 方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_FINAL</td> 
   <td>0x0010</td> 
   <td>final 方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_SYNCHRONIZED</td> 
   <td>0x0020</td> 
   <td>synchronized 方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_BRIDGE</td> 
   <td>0x0040</td> 
   <td>编译器产生的桥接方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_VARARGS</td> 
   <td>0x0080</td> 
   <td>接受不定参数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_NATIVE</td> 
   <td>0x0100</td> 
   <td>native 方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_ABSTRACT</td> 
   <td>0x0400</td> 
   <td>abstract 方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_STRICT</td> 
   <td>0x0800</td> 
   <td>strictfp 方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ACC_SYNTHENTIC</td> 
   <td>0x1000</td> 
   <td>编译器生成方法</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  方法表结构与字段表结构一致

**8、属性表(attribute\_info)集合**

*  class 文件、字段表、方法表可携带属性集合，描述特有信息
 *  预定义 29 项属性，可自定义写入不重名属性

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>属性名称</td> 
   <td>使用位置</td> 
   <td>描述</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Code</td> 
   <td>方法表</td> 
   <td>Java代码编译的字节码指令</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ConstantValue</td> 
   <td>字段表</td> 
   <td>final 关键字定义的常量值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Deprecated</td> 
   <td>类、方法表、字段表</td> 
   <td>过期作废的类、方法和字段</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Exceptions</td> 
   <td>方法表</td> 
   <td>方法抛出的异常</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>EnclosingMethod</td> 
   <td>类文件</td> 
   <td>局部类或匿名类拥有，标识外围方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>InnerClass</td> 
   <td>类文件</td> 
   <td>内部类列表</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>LineNumberTable</td> 
   <td>Code属性</td> 
   <td>Java源码的行号与字节码指令的对应关系</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>LocalVariableTable</td> 
   <td>Code属性</td> 
   <td>方法的局部变量描述</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>StackMapTable</td> 
   <td>Code属性</td> 
   <td>检查和处理目标方法局部变量与操作数栈所需类型是否匹配</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Signature</td> 
   <td>类、方法表、字段表</td> 
   <td>源文件名称</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SourceDebugExtension</td> 
   <td>类文件</td> 
   <td>存储额外的调试信息</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Synthetic</td> 
   <td>类、方法表、字段表</td> 
   <td>标识方法或字段为编译器自动生成</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>LocalVariableTypeTable</td> 
   <td>类</td> 
   <td>描述泛型参数化类型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RuntimeVisibleAnnotations</td> 
   <td>类、方法表、字段表</td> 
   <td>指明运行时可见的注解</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RuntimeInvisibleAnnotations</td> 
   <td>类、方法表、字段表</td> 
   <td>指明运行时不可见的注解</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RuntimeVisibleParameterAnnotation</td> 
   <td>方法表</td> 
   <td>指明方法参数运行时可见的注解</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RuntimeInvisibleParameterAnnotation</td> 
   <td>方法表</td> 
   <td>指明方法参数运行时不可见的注解</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>AnnotationDefault</td> 
   <td>方法表</td> 
   <td>用于记录注解类元素的默认值&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>BootstrapMethods</td> 
   <td>类文件</td> 
   <td>保存invokeddynamic指令引用的引导方式限定符</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RuntimeVisibleTypeAnnotation</td> 
   <td>类、方法表、字段表</td> 
   <td>指明运行时可见的类注解</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RuntimeInvisibleTypeAnnotation</td> 
   <td>类、方法表、字段表</td> 
   <td>指明运行时不可见的类注解</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MethodParameters</td> 
   <td>方法表</td> 
   <td>方法名称编译进Class文件，可运行时获取</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Module</td> 
   <td>类</td> 
   <td>模块的信息</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ModuleMainClass</td> 
   <td>类</td> 
   <td>指定模块的主类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>NestHost</td> 
   <td>类</td> 
   <td>内部类得知宿主类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>NestMembers</td> 
   <td>类</td> 
   <td>宿主类得知内部类</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Class 文件可以看作一张表，如下

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>类型</td> 
   <td>名称</td> 
   <td>数量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u4</td> 
   <td>magic</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>minor_version</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>major_version</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>constant_pool_count</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>cp_info</td> 
   <td>constant_pool</td> 
   <td>constant_pool_count-1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>access_flags</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>this_class</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>super_class</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>interfaces_count</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>interfaces</td> 
   <td>interface_counts</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>fields_count</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>field_info</td> 
   <td>fields</td> 
   <td>fields_count</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>methods_count</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>method_info</td> 
   <td>methods</td> 
   <td>methods_count</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>u2</td> 
   <td>attributes_count</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>attribute_info</td> 
   <td>attributes</td> 
   <td>attributes_count</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

整理自《深入理解 Java 虚拟机》

--------------------

### 【Java学习资源】整理推荐 ###

*  [MAT 分析堆内存快照][MAT]
 *  [jclasslib 查看类信息][jclasslib]
 *  [增大 MAT 堆内存][MAT 1]
 *  [JVM 常用配置参数(Java 8)][JVM _Java 8]
 *  [40 道JVM面试题解答][40 _JVM]
 *  [JVM 问题排查常用指令][JVM]
 *  [jvisualvm 远程连接服务器 JVM][jvisualvm _ JVM]
 *  [字节码指令分类][Link 1]
 *  [\-verbose:gc 和 -XX:+PrintGC 的区别][-verbose_gc _ -XX_PrintGC]
 *  [JVM字节码指令表][JVM 1]
 *  [图解 Class 文件结构][Class]
 *  [Class 文件的结构][Class 1]
 *  [JVM 故障处理工具列表][JVM 2]
 *  [HotSpot 内存分配的主要规则][HotSpot]
 *  [开启 GC 日志][GC]
 *  [垃圾收集器及特点][Link 2]
 *  [JVM垃圾回收算法][JVM 3]
 *  [什么样的 Java 对象会被当垃圾回收？][Java]
 *  [内存溢出复现][Link 3]
 *  [HotSpot VM 中对象的内存分析][HotSpot VM]
 *  [JVM 控制的内存区域][JVM 4]
 *  [JVM家族][JVM 5]
 *  [Java 的发展史][Java 1]
 *  [常见 JVM dump 指令][JVM dump]

--------------------

### 【Java面试题与答案】整理推荐 ###

*  [基础与语法][Link 4]
 *  [集合][Link 5]
 *  [网络编程][Link 6]
 *  [并发编程][Link 7]
 *  [Web][]
 *  [安全][Link 8]
 *  [设计模式][Link 9]
 *  [框架][Link 10]
 *  [算法与数据结构][Link 11]
 *  [异常][Link 12]
 *  [文件解析与生成][Link 13]
 *  [Linux][]
 *  [MySQL][]
 *  [Oracle][]
 *  [Redis][]
 *  [Dubbo][]

[MAT]: https://www.javanav.com/val/c3466d5a4ae54cbbacff48a77764eefc.html
[jclasslib]: https://www.javanav.com/val/f6c5cf9df8554a788b403bdc4c711564.html
[MAT 1]: https://www.javanav.com/val/60b1b34a85474c9ba01858ff435c0abe.html
[JVM _Java 8]: https://www.javanav.com/val/d76fe4761aa64973b6ae730326aa6d34.html
[40 _JVM]: https://www.javanav.com/val/93550f179edb4a77bbf4d35faa6d560c.html
[JVM]: https://www.javanav.com/val/731835b642a548e8a7d7c14aeab161e6.html
[jvisualvm _ JVM]: https://www.javanav.com/val/925604ea926e42aa9f936df96b6c69d0.html
[Link 1]: https://www.javanav.com/val/ecd6c327f9164c358ee168a8f4d6cdfa.html
[-verbose_gc _ -XX_PrintGC]: https://www.javanav.com/val/3159ceb444204e0a830b921dee94d9d1.html
[JVM 1]: https://www.javanav.com/val/2e69020292844506ac038fa6942f359f.html
[Class]: https://www.javanav.com/val/296686d016a147f5b91d8ad82c6f048d.html
[Class 1]: https://www.javanav.com/val/b21a17ddecf543239060a2af5ed9c21e.html
[JVM 2]: https://www.javanav.com/val/a52a3d4ee8df4a7b9d2262572ed303dd.html
[HotSpot]: https://www.javanav.com/val/6b9865caa5f84c348f9485c558df4551.html
[GC]: https://www.javanav.com/val/acbb4071b64240b49145a1baf7856551.html
[Link 2]: https://www.javanav.com/val/391b81f602e74370aa62b8e1b5d84d83.html
[JVM 3]: https://www.javanav.com/val/bbee490647d7459984be9d612dc4b75e.html
[Java]: https://www.javanav.com/val/00c98517d5e940248f6c50403d184dd5.html
[Link 3]: https://www.javanav.com/val/2a7fd81371534120a3e86935cc1ecb01.html
[HotSpot VM]: https://www.javanav.com/val/49e9ce5857744a39a88b1977d84086c7.html
[JVM 4]: https://www.javanav.com/val/34d7eadd6bdb4f179913fe172c4a144b.html
[JVM 5]: https://www.javanav.com/val/c850f57e1cee4024a12e3ac449d2757d.html
[Java 1]: https://www.javanav.com/val/f6a20dc008d6431bb54ba6afc71cbefe.html
[JVM dump]: https://www.javanav.com/val/200700af5dfe459d957e04e93c813a0c.html
[Link 4]: https://www.javanav.com/interview/93b0069472fd479393006c0e73043fc4.html
[Link 5]: https://www.javanav.com/interview/4147d95e693945e7a50345fd33ec817e.html
[Link 6]: https://www.javanav.com/interview/68a57ffc78de4133bb890bdd502ac418.html
[Link 7]: https://www.javanav.com/interview/36a24fa3258e45c89873f474ce914912.html
[Web]: https://www.javanav.com/interview/4e27cb63adb440c6825a159d35cf4010.html
[Link 8]: https://www.javanav.com/interview/03affb2ce3f04fda8853f714e5764906.html
[Link 9]: https://www.javanav.com/interview/07a32a9ff17a4006a53550ce658cafed.html
[Link 10]: https://www.javanav.com/interview/5c466456e9b54ab0a749b5948e51f1d3.html
[Link 11]: https://www.javanav.com/interview/943f917041ee4f05add24539f5b861b2.html
[Link 12]: https://www.javanav.com/interview/d3f058cfc05d4c6dadd821b622e84d36.html
[Link 13]: https://www.javanav.com/interview/67a50996c28f418e83b109ea42fc3eff.html
[Linux]: https://www.javanav.com/interview/00cccb81729540d1923bd0a0ef49533a.html
[MySQL]: https://www.javanav.com/interview/d311e78502a845f1a4bb307bd6aec2b3.html
[Oracle]: https://www.javanav.com/interview/5f29e9677edf4a16be3dce30d257c9ab.html
[Redis]: https://www.javanav.com/interview/066c62b3af4d4827b2243a822c3084a9.html
[Dubbo]: https://www.javanav.com/interview/9a3e7a7740324757abaab953f7ebc455.html