深入虚拟机笔记之class文件

第6章 java class文件

 

    java class文件是对java程序二进制文件格式的精确定义。每一个class文件都对一个java类或接口做出了全面的描述。一个class文件中只能包含一个类或者接口。

    java class文件是8位字节的二进制流。数据项按顺序存储在class文件中，相邻的项之间没有任何间隔，占据多个字节空间的项按高位在前的顺序分为几个连续的字节存放。

    java class文件能够包含许多不同大小的项，在class文件中，可变长度项的大小和长度位于其实际数据之前，这个特性使得class文件流可以从头到尾被顺序解析。

    java class文件中包含了java虚拟机所需知道的，关于类或接口的所有信息。

   

    java class文件基本类型： 所有存储在u2、u4、u8项中的值，在class文件中以高位在前的形式出现。

        u1（1字节无符号类型）、 u2（2字节无符号类型）、

        u4（4字节无符号类型）、 u8（8字节无符号类型）。

 

 

    magic(u4)：每个java class文件的前4个字节被称为它的魔数（magic number）：0xCAFEBABE。魔数的作用在于分辨java class文件和非java class文件。

 

    minor_version(u2)和major_version(u2)：接下来的4个字节分别定义了主、次版本号。随着java计数的发展，java class文件格式可能会加入新的特性，文件格式一旦发生变化，版本号也会随之变化。对于java虚拟机来说，版本号确定了特定的class文件格式，通常只有给定主版本号和一系列次版本号后，java虚拟机才能够读取class文件。如果class文件的版本号超出了java虚拟机所能处理的有效范围，java虚拟机将不会处理该class文件。

 

    constant_pool_count(u2)和constant_pool(cp_info)：版本号后面是常量池，常量池包含了与文件中类和接口相关的常量，存储了诸如字符串、final变量值、类名、方法名的常量。java虚拟机把常量池组织为入口列表的形式，在实际列表constant_pool之前，是2个字节的constant_pool_count计数。常量池中的许多入口都指向其他的常量池入口。在整个class文件中，指示常量池入口在常量池列表中位置的整数索引（如#10）都指向这些常量池入口。列表中的第一项索引值为1，尽管没有索引值为0的入口，但缺失的这一个入口也被constant_pool_count计数在内（count值为常量池入口总数+1）。

    每个常量池入口都从一个长度为1个字节的标志开始，这个标志指出了列表中该位置的常量类型。在动态连接的java程序中，常量池充当了十分重要的角色。

 

    除了字面常量值以外，常量池还可以容纳以下几种符号引用：

    (1) 类和接口的全限定名。

    (2) 字段的名称和描述符。字段描述符是指示字段的类型的字符串。

    (3) 方法的名称和描述符。方法描述符也是字符串，该字符串指示方法的返回值和参数数量、顺序和类型。

    在运行时，java虚拟机使用常量池中的全限定名、方法和字段的描述符，把当前类或接口中的代码与其他类或接口中的代码连接起来。由于class文件并不包含其内部组件最终内存布局的信息，因此类、字段和方法不能被class文件中的字节码直接引用。java虚拟机从常量池中获得符号引用，然后在运行时解析引用项的实际地址。

   

    access_flags(u2)：紧接常量池后的两个字节称为access_flags，它展示了文件中定义的类或接口的访问标志信息。访问标志指明文件中定义的是类还是接口，以及在类或接口的声明中使用了哪种修饰符：public（类和接口）、final（类）、super（类和接口）、interface（接口）、abstract（类和接口）。

 

    this_class(u2)：是一个2字节的常量池索引。在this_class位置的常量池入口必须为CONSTANT_Class_info表。该表由两个部分组成：tag和name_index。标签是一个具有CONSTANT_Class值的常量，name_index的常量池入口为一个包含了类或者接口全限定名的CONSTANT_Utf8_info表。

 

    super_class(u2)：是一个2字节的常量池索引，在 super_class位置的常量池入口是一个指向该类超类全限定名的CONSTANT_Class_info表。除了Object类外，super_class对于所有的类均有效。对Object类，super_class 的值为0。对于接口，super_class的值为java.lang.Object。

 

    interface_count(u2)和interfaces：在文件中由该类直接实现或者接口扩展的父接口的数量。在计数后面是名为interfaces的数组，它包含了父接口的常量池索引。每个父接口使用常量池中的CONSTANT_Class_info入口来描述，指向接口的全限定名。

 

    fields_count(u2)和fields：对该类或者接口中所声明的字段的描述。fields_count是类变量和实例变量的数量总和。在计数后面是不同长度的field_info表的序列。在fields列表中不列出从超类或者父接口中继承而来的字段。fiels列表可能会包含在对应的java源文件中没有定义的字段，这是因为编译器可能会在编译时向类或者接口添加字段。比如，一个内部类的fields列表为了保持对外围类实例的引用，java编译器会为内部类fields列表添加外围类类型的实例变量，这种字段使用Synthetic属性标识。每个field_info表都展示一个字段的信息，包含字段的名字、描述符和修饰符；如果被声明为final，field_info还会展示其常量值或者指向其在常量池中的索引。

 

    method_count(u2)和methods：对该类或者接口中所声明的方法的描述。method_count是2个字节的所有方法的计数，只计算该类或者接口显式声明的方法（继承来的方法不被计算）。method_info表包含与方法相关的信息，包括方法名和描述符（返回值类型和参数类型）。如果方法既不是abstract，又不是native(本地的)，那么method_info表就包含方法局部变量所需的栈空间长度、为方法所捕获的异常表、字节码序列以及可选的行数和局部变量表。

 

    attributes_count(u2)和attributes：class文件最后的部分是属性，它给出了在class文件中类或接口所定义的属性的基本信息。每个attribute_info的第一项是指向常量池中的CONSTANT_Utf8_info表的索引。java虚拟机实现定义了两种属性：SourceCode和InnerClasses。

 

    特殊字符串：常量池中容纳的符号引用包括三种特殊的字符串（全限定名、简单名称和描述符）。

    全限定名：当常量池入口指向类或接口时，它给出该类或者接口的全限定名（点用斜线取代）。

    简单名称：字段名和方法名以简单名称形式出现在常量池入口中。比如toString。

    描述符：字段的描述符给出字段的类型；方法的描述符给出了方法的返回值类型和方法参数的数量、类型

                  以及顺序。V终结符表示方法返回值为void，对象终结符L和分号(;)，数组终结符[，方法描述符终

                  结符左右括号()，8中基本类型终结符B=byte、C=char、D=double、F=float、I=int、J=long、

                  S=short、Z=boolean。实例方法的描述符没有包含作为第一个参数被传给实例方法的隐藏this

                  参数，但所有调用实例方法的java虚拟机指令都会隐式传递this参数（不会传给类方法）。

 

    

    常量池：是一个可变长度的cp_info表的有序序列。cp_info表中的tag项是一个无符号的byte类型值，它表明了表的类型和格式。info项存放对应的类型表。cp_info表一共有11种类型。

    CONSTANT_Utf8_info表：可变长度的utf8表使用一种ut8格式的变体来存储一个常量字符串。可存储：

        文本字符串、类或接口的全限定名、字段/方法的简单名称和描述符、与属性相关的字符串。utf-8编码

        模式允许字符串中的所有Unicode字符以2个字节的形式表示，ascII字符（null除外）以1个字节表示。

        utf8表跟标准utf8格式的区别：bytes中的空字符null用2个字节表示，而且bytes项只使用了标准ut8编码

        的单字节、双字节和三字节编码。

 
    CONSTANT_Integer_info表：用来存储常量的值，该表不存储符号引用。bytes为4字节。

    CONSTANT_Float_info表：用来存储常量的值，该表不存储符号引用。bytes为4字节。

    CONSTANT_Long_info表：用来存储常量的值，该表不存储符号引用。bytes为8字节。

    CONSTANT_Double_info表：用来存储常量的值，该表不存储符号引用。bytes为8字节。

 

    CONSTANT_Class_info表：使用符号引用来描述类或者接口。无论指向类、接口、字段还是方法，所有

        符号引用都包含一个CONSTANT_Class_info表。name_index给出了包含类或接口的全限定名的CONSTANT_Utf8_info表。

 

    CONSTANT_String_info表：固定长度的CONSTANT_String_info表用来存储文本字符串值，该值也可表

        示为类java.lang.String的实例。该表不存储符号引用。string_index给出了包含文本字符串值的

        CONSTANT_Utf8_info入口的索引。

    CONSTANT_Fieldref_info表：固定长度的CONSTANT_Fieldref_info表描述了指向字段的符号引用。

        class_index给出了声明被引用字段的类或接口的CONSTANT_Class_info表入口的索引。class文件可以

        包含它使用的任何静态final字段的常量值得拷贝。如果引用的字段被初始化为编译时的常量，该类将会

        在它自己的常量池中拥有一个 CONSTANT_基本类型_info表；但是如果引用的字段使用运行时才能计

        算出来的表达式来初始化静态final字段，那么使用该字段的类的常量池中，将会有一个对该引用类的

        字段进行符号引用的CONSTANT_Fieldref_info表。name_and_type_index提供了

        CONSTANT_NameAndType_info表入口的索引，该入口提供了字段的简单名称和描述符。

 

    CONSTANT_Methodref_info表：固定长度的 CONSTANT_Fieldref_info表使用符号引用来表述类中声明

        的方法（不包括接口中的方法）。

    CONSTANT_InterfaceMethodref_info表：固定长度的 CONSTANT_InterfaceMethodref_info表使用符号引

        用来描述接口中声明的方法（不包括类中的方法）。

 

    CONSTANT_NameAndType_info表： 固定长度的CONSTANT_NameAndType_info表构成指向字段或者

       方法的符号引用的一部分。该表提供了所引用字段或方法的简单名称和描述符的常量池入口。

  

     字段：在类或接口中声明的每一个字段（类变量或者实例变量）都有class文件中的一个名为field_info的可变长度的表进行描述。在一个class文件中，不存在两个具有相同名字和描述的字段。

 

     方法：在class文件中，每个在类和接口中声明的方法，或者由编译器产生的方法，都有一个可变藏毒的

method_info表来描述。同一个类中不能存在两个名字及描述符完全相同的方法。在java语言中，同一个类或接口中声明的两个方法不能有同样的签名（除返回类型之外的描述符）；但在class文件中，两个方法可以拥有同样的签名（前提是，返回值类型不同）。有可能在class文件中出现的编译器产生的方法：实例初始化方法（名为<init>）用来执行实例变量初始化、实例初始化代码块和构造器代码；类与接口初始化方法（名为<clinit>）用来执行类变量初始化、静态初始化代码块。

 

    属性：属性在class文件中多次出现，它可以出现在class文件、field_info、method_info和Code_attribute表中。java虚拟机规范定了了9种属性。为了正确解释java class文件，java虚拟机实现都必须能够识别三种属性：Code、ConstantValue和Exception。为了正确实现java和java2平台的类库，虚拟机实现必须能够识别InnerClasses和Synthetic属性。但可以自主选择究竟是识别还是忽略其他的一些预定义的属性（Duprecated等）。