.class文件格式--java字节码文件的格式

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Java 数据结构虚拟机 VC++ITeye

1 ．目的
Java 虚拟机识别的 class 文件格式包含 Java 虚拟机指令（或者 bytecodes ）和一个符号表以及其他的辅助信息。本文将使用 VC++ 语言解析 Java Class 文件符号表，逆向生成 Java 源代码结构。如图 1 ：

之所以使用 VC++ 而不使用 Java 的主要是因为 VC++ 界面开发简单；运行速度快，不需要虚拟机；需要用指针建立复杂的数据结构。
2 ．实现
实现该工具的过程如下：
1．解析 Class 文件，从 Class 文件中读取数据并保存到称为 ClassFile 结构体中；
2．解析 ClassFile 结构体，生成源代码字符串；
3．将字符串显示到视图中。
2.1 解析 Class 文件
为实现第 1 步，首先需要了解 Class 文件格式规范，参考《 Java 虚拟机规范》第四章 class 文件格式，总结 class 文件的数据结构如图 2 。
2.1.1 Class 文件格式
Class 文件格式 ClassFile 结构体的 C 语言描述如下：

struct ClassFile
{
              u4 magic;                                 // 识别 Class 文件格式，具体值为 0xCAFEBABE ，
              u2 minor_version;            // Class 文件格式副版本号，
              u2 major_version;            // Class 文件格式主版本号，
              u2 constant_pool_count; //  常数表项个数，
              cp_info **constant_pool;// 常数表，又称变长符号表，
              u2 access_flags;                //Class 的声明中使用的修饰符掩码，
              u2 this_class;                   // 常数表索引，索引内保存类名或接口名，
              u2 super_class;                // 常数表索引，索引内保存父类名，
              u2 interfaces_count;        // 超接口个数，
              u2 *interfaces;                 // 常数表索引，各超接口名称，
              u2 fields_count;       // 类的域个数，
              field_info **fields;          // 域数据，包括属性名称索引，
// 域修饰符掩码等，
              u2 methods_count;           // 方法个数，
              method_info **methods;// 方法数据，包括方法名称索引，方法修饰符掩码等，
              u2 attributes_count;         // 类附加属性个数，
              attribute_info **attributes; // 类附加属性数据，包括源文件名等。
};

其中 u2 为 unsigned short ， u4 为 unsigned long ：
typedef unsigned char    u1;
typedef unsigned short   u2;
typedef unsigned long    u4;

cp_info **constant_pool 是常量表的指针数组，指针数组个数为 constant_pool_count ，结构体 cp_info 为

struct cp_info
{
              u1 tag;       // 常数表数据类型
              u1 *info;   // 常数表数据
};

常数表数据类型 Tag 定义如下：

#define CONSTANT_Class                                          7     
#define CONSTANT_Fieldref                                      9
#define CONSTANT_Methodref                                10
#define CONSTANT_InterfaceMethodref                   11
#define CONSTANT_String                                                      8
#define CONSTANT_Integer                                                   3
#define CONSTANT_Float                                                       4
#define CONSTANT_Long                                                       5
#define CONSTANT_Double                                       6
#define CONSTANT_NameAndType                          12
#define CONSTANT_Utf8                                                        1

每种类型对应一个结构体保存该类型数据，例如 CONSTANT_Class 的 info 指针指向的数据类型应为 CONSTANT_Class_info

struct CONSTANT_Class_info
{
              u1 tag;
              u2 name_index;
};

CONSTANT_Utf8 的 info 指针指向的数据类型应为 CONSTANT_Utf8_info

struct CONSTANT_Utf8_info
{
              u1 tag;
              u2 length;
              u1 *bytes;
};

Tag 和 info 的详细说明参考《 Java 虚拟机规范》第四章 4.4 节。
access_flags 为类修饰符掩码，域与方法都有各自的修饰符掩码。

#define ACC_PUBLIC                                0x0001 
#define ACC_PRIVATE                             0x0002
#define ACC_PROTECTED                                   0x0004
#define ACC_STATIC                                0x0008
#define ACC_FINAL                                              0x0010
#define ACC_SYNCHRONIZED                          0x0020
#define ACC_SUPER                                                0x0020
#define ACC_VOLATILE                                        0x0040
#define ACC_TRANSIENT                                      0x0080 
#define ACC_NATIVE                               0x0100
#define ACC_INTERFACE                                      0x0200 
#define ACC_ABSTRACT                                       0x0400 
#define ACC_STRICT                                      0x0800

例如类的修饰符为 public abstract 则 access_flags 的值为 ACC_PUBLIC | ACC_ABSTRACT=0x0401 。
this_class 的值是常数表的索引，索引的 info 内保存类或接口名。例如类名为 com.sum.java.swing.SwingUtitlities2 在 info 保存为 com/sum/java/swing/SwingUtitlities2
super_class 的值是常数表的索引，索引的 info 内保存超类名，在 info 内保存形式和类名相同。
interfaces 是数组，数组个数为 interfaces_count ，数组内的元素为常数表的索引，索引的 info 内保存超接口名，在 info 内保存形式和类名相同。
field_info **fields 是类域数据的指针数组，指针数组个数为 fields_count ，结构体 field_info 定义如下：

struct field_info
{
              u2 access_flags;                  // 域修饰符掩码
              u2 name_index;                 // 域名在常数表内的索引
              u2 descriptor_index;           // 域的描述符，其值是常数表内的索引
              u2 attributes_count;           // 域的属性个数
              attribute_info **attributes; // 域的属性数据，即域的值
 
};

例如一个域定义如下：
private final static byte UNSET=127;
则该域的修饰符掩码值为： ACC_PRIVATE | ACC_STATIC | ACC_FINAL=0x001A
常数表内 name_index 索引内保存数据为 UNSET ，常数表内 descriptor_index 索引内保存的数据为 B （ B 表示 byte, 其他类型参考《 Java 虚拟机规范》第四章 4.3.2 节）。 attributes_count 的值为 1 ，其中 attributes 是指针数组。指针数组个数为 attributes_count ，在此为 1 ， attribute_info 结构体如下：

struct attribute_info
{
              u2 attribute_name_index;   // 常数表内索引
              u4 attribute_length;            // 属性长度
              u1 *info;                             // 根据属性类型不同而值不同
};

attribute_info 可以转换 (cast) 为多种类型 ConstantValue_attribute ， Exceptions_attribute ， LineNumberTable_attribute ， LocalVariableTable_attribute ， Code_attribute 等。
因为域的属性只有一种： ConstantValue_attribute ，因此此结构体转换为
struct ConstantValue_attribute
{
              u2 attribute_name_index;        // 常数表内索引
              u4 attribute_length;                 // 属性长度值，永远为 2
              u2 constantvalue_index;          // 常数表内索引，保存域的值
// 在此例中，常数表内保存的值为 127
};
method_info **methods 是方法数据的指针数组，指针数组个数为 methods_count ，结构体 method_info 定义如下：

struct method_info
{
              u2 access_flags;                   // 方法修饰符掩码
              u2 name_index;                   // 方法名在常数表内的索引
              u2 descriptor_index;            // 方法描述符，其值是常数表内的索引
              u2 attributes_count;             // 方法的属性个数
              attribute_info **attributes;  // 方法的属性数据，
// 保存方法实现的 Bytecode 和异常处理
};

例如一个方法定义如下：
public static boolean canAccessSystemClipboard(){
...
}
则 access_flags 的值为 ACC_PUBLIC | ACC_STATIC =0x0009 ，常数表内 name_index 索引内保存数据为 canAccessSystemClipboard ，常数表内 descriptor_index 索引内保存数据为 ()Z ； ( 括号表示方法参数， Z 表示返回值为布尔型，详细说明参照《 Java 虚拟机规范》第四章 4.3.2 节 ) 。 attribute_info **attributes 是方法的属性指针数组，个数为 attributes_count ，数组内保存的是常数表索引， info 为 Code_attribute 或 Exceptions_attribute 。
本文不解析方法内容，因此忽略 Code_attribute 和 Exceptions_attribute 的内容。

ClassFile 结构体中的 attribute_info **attributes 是附加属性数组指针，个数为 attributes_count ，本文只识别 SourceFile 属性。

struct SourceFile_attribute
{
              u2 attribute_name_index; // 常数表内索引
              u4 attribute_length;          // 属性长度值，永远为 2
              u2 sourcefile_index;         // 常数表内索引， info 保存源文件名
};

例如 com.sum.java.swing.SwingUtitlities2 类的源文件名为 SwingUtitlities2.java 。
以上是本文需要解析的 Class 文件格式。
2.1.2 读取数据
定义 CJavaClass 类完成解析 Class 文件，生成 Java 源程序字符串。使用 VC++ 的 MFC 类 CFile 从 Class 文件读取数据。例如：用 16 进制编辑器打开 Class 文件，如图 3 ，前 4 个 byte 分别是 CA FE BA BE ，使用 CFile::Read(tmp,sizeof(u4)) 读取后， tmp 的值为 0xBEBAFECA ，所以需要位转换。定义以下方法从文件读取定长数据：

void readu1(u1 *buff);
  void readu2(u2 *buff);
  void readu4(u4 *buff);

定义如下方法读取变长数据。
void readun(void *buff,u4 len) ；
读取的 u2 和 u4 的数据需要位转换：
U1 [0]
U1 [1]
U1   [1]
U1 [0]
U2 ：
U1 [0]
U1 [1]
U1   [3]
U4 ：
U1 [2]
U1 [3]
U1 [2]
U1   [0]
U1 [1]
调用 void readu4(u4 *buff); 后 buff 的值为 0x CAFEBABE ，该值为 ClassFile 的 magic ，识别该文件是 Java Class 文件。

magic 的后面是 Class 格式的版本号，图 3 的版本为 0x00000030=0.48 。版本后面是常数表的元素个数，图 3 的常数表的元素个数为 0xD2=210 个。常数表的元素个数之后如 ClassFile 结构体定义的常数表，类信息，接口信息，域信息，方法信息和附加属性等。
2.2 生成 Java 源文件
解析 Class 文件后，生产 ClassFile 结构体。遍历该结构体数据，则可根据 Java 语言规范生成 Java 源文件。例如根据 ClassFile 的 access_flags 值获得 Java 类的修饰符，其中 access 是 CArray<CString,CString&> ，保存类所有的修饰符：

 if((flag & ACC_PUBLIC )==ACC_PUBLIC)
              {
                                          access.Add(CString("public"));
              }
              if((flag & ACC_PRIVATE)==ACC_PRIVATE)
              {
                                          access.Add(CString("private"));
 
              }
              if((flag & ACC_PROTECTED)==ACC_PROTECTED)
              {
                                          access.Add(CString("protected"));
 
              }

…
2.3 显示视图
将获得的 Java 源代码显示在 MFC 的 CScrollView 视图非常简单，可以添加一些关键字颜色，例如注释显示为草绿色等，如图 4 。

3 ．总结
本文根据《 Java 虚拟机规范》开发了解析 Java Class 文件格式，并生成 Java 源代码结构的工具。其优点是：
1．脱离 Java 虚拟机或 Java 开发环境；
2．可查阅没有 Java 源代码的 Class 文件的内容；
3．为一些复杂的 Java Jar 包生成相同类名的替代类，方便开发调试。例如，用返回固定字符串的 java 源文件更换需要网络链接的相同 java 类，有助于本地运行与调试。
缺点是：
1．由于没有反编译 Bytecode ，工具生成的部分 Java 源文件需要手动添加一些 Java 属性值；
2． Java 源文件内的所需要使用的 Java 方法内容需要程序员手动实现。