类文件结构

本文从以下方面描述类文件结构：

 

(一)class文件的结构

一、魔数与class文件版本

二、常量池

三、访问标志

四、类索引、父类索引、接口索引集合

五、字段表集合

六、方法表集合

七、属性表集合

 

（一）class文件的结构

 

1、概述

            class文件是以8位字节为基本单位二进制流，各个结构严格按照顺序排列起来，中间没有任何分割符。  当遇到要占用8位字节以上的空间数据时，则会按照高位在前的方式分割成若干个字节进行存储。

 

2、class文件中的数据类型

 Java虚拟机规范规定，Class文件的格式采用一种类似C语言的结构体的伪结构存储。

 有两种数据类型：

 （1）无符号数

 （2）表

 

2.1、无符号数

         属于基本数据类型，以u1,u2,u4,u8分别表示1字节，2字节，4字节，8字节的无符号数；

         无符号数用来描述：数字，索引引用，数量值，或者按照UTF-8编码的字符串值。

 

2.2、表

         表是有多个无符号数，或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，所有表习惯以“_info”结尾；

 

2.3、图示class文件格式

 

 一、魔数与class文件版本

 

1、概述

             class文件的开始4字节表示为魔数(Magic Number)。开始四字节值为0xCAFEBABE。

2、作用

            用于确定该文件是否是一个能被虚拟机加载的Class文件。

 3、次版本、主版本

            紧随魔术之后的u2为次版本（minor_version），之后的u2两个字节为主版本(major_version)

 

4、class文件的版本号

 

二、常量池

 

 1、概述

              在次版本、主版本之后的数据项为常量池，常量池与class文件中其他项目关联最为密切，也是占用class文件最大的数据项之一，也是class文件中第一个出现表结构的数据。

 

2、常量池池容量计数值（constant_pool_count）

      常量池的入口放置一个u2类型的数据，代表常量池容量计数值（constant_pool_count）。池容量计数值是从1开始的，0项有特殊意义（0项，为了满足某些指向常量池的索引值的数据在特定的情况下需要表达“不引用任何一个常量池项目”）。

 

2.1、注意             

        Class文件中只有常量池是从1开始计数，其他集合类型，诸如：接口索引集合、字段表集合、方法表集合、等计数从0开始。

 

3、常量池存放的常量类型

（1）字面量（Literal）

（2）符号引用（Symbolic References）

 

3.1、字面量

        类似于java中的常量，如：文本字符串、被声明为final的常量值。

 

3.2、符号引用

         属于编译原理方面的概念，包括如下3类常量：

       （1）类和接口的全限定名（Full Qualified Name）

       （2）字段名称和描述符

       （3）方法名称和描述符

 

3.2.1 全限定名、简单名称、描述符

（1）全限定名：包名与类名组成的字符串

（2）简单名称：没有类型和参数修饰符的方法或字段名称

 

（3）描述符：

         ① 用于描述：字段的数据类型，方法的参数列表（包括参数类型，数量，顺序）以及方法返回值；

         ②描述符规则：8个基本数据类型以及无返回值的void都用一个大写字母表示，见下图。对于对象类型来说用字符大写L加对象的全限定名表示，如：Ljava/lang/String；

         ③数组表示：一维数组如：int[]表示为[I，二维数组java.lang.String[][]表示为[[Ljava.lang.String

         ④描述符用于描述方法参数时，按照先参数列表，后返回值的顺序描述。如方法void fun()，表示为

()V，java.lang.String toString(),表示为 ()Ljava.lang.String

   

3.2.2、描述符表示含义图

 

 4、常量池中的项目类型

       常量池的每一项常量都是一张表，共有11项目数据各不相同的表结构数据，11中表结构数据都有一个共同点，开始位置都是u1类型的标志位（tag,取值1-12，缺少标志2数据类型），tag标志位表示当前的常量属于那种常量类型，11中常量类型的含义见下图：

 

 4.1、11中数据类型结构总表

 

 

 

 三、访问标志（access_flags）

       

1、概述：

      紧随常量池之后的u2类型的数据代表访问标志（access_flags）。

       

2、作用：

      识别类或接口的访问信息，包括，class为类或接口，是否定义为public、是否定义为abstract；如果为类是否声明为final。

 

3、访问表示的含义表

 
4、说明

      access_flag共有32个标志位可以使用，当前只定义了8个，没有用到的标志位都为0。

      例如：用到了 ACC_PUBLIC(0x0001)以及ACC_SUPER(0x0020), 0x0001 | 0x0020 = 0x0021(呈现在字节码中文件的16进制数)，所以其他几项标志位都为0。  

   

四、类索引、父类索引、接口索引集合

 

1、概述

            类索引（this_class）和父类索引（super_class）都是一个u2的数据类型，而接口索引集合（interfaces）是一组u2类型的数据集合，class文件通过上述数据类型确定继承关系。这些类型的数据按顺序排列在访问标志（access_flags）之后。

 

1.1、类索引（this_class）

            用于确定类的全限定名。

1.2、父类索引（super_class）

            用于确定这个类的父类的全限定名。java不支持多继承，除了java.lang.Object之外，所有的类都有父类，所以父类索引不为0。

1.3、接口索引集合（interfaces）

            用于描述类实现了那些接口，这些实现的接口（如果类本身是接口，则为多继承extends）将按照implements语句后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。

 

2、说明

 

（1）类索引（this_class）和父类索引（super_class）引用u2类型的索引值表示，它们指向一个类型为CONSTANTS_Class_info的描述符常量，通过CONSTANTS_Class_info类型中的常量索引值可以找到定义在CONSTANTS_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串。

 

（2）接口索引集合，第一项为一个u2类型的接口计数器（interfaces_count），表示索引表的容量。

 

 五、字段表集合（fields） 

 

1、概述

      字段表（fields_info）用于描述类或接口中的变量。

      字段（fields）包括，类变量和实例变量，不包括方法内部声明的变量。

     

1.1、描述一个字段包括的信息：

       ①字段的作用域（public 、private、protected）；

       ②类变量后者是实例变量（static）；

       ③是否为常量final；

       ④并发可见性volatile是否强制从内存读写；

       ⑤可否序列化（transient）；

       ⑥字段的数据类型（基本数据类型、数组、对象）

 

 1.2、对于字段的修饰符都是boolean值，适合使用标志位来表示，对于字段的数据类型、字段的名字不确定，只能应用常量池中的常量来表示。

 

2、字段表结构

 

 

字段访问标志（access）

 

 3、说明

 （1）紧随访问标志是两项索引值：name_index、description_index。都是对常量池的引用，分别代表着字段的简单名称和方法的描述符。（前面章节已经解释过描述符）。对于description_index之后的attribute_info信息，在后续的章节介绍。

 （2）字段表集合集合中不会列举出从父类中继承来的字段。但可能会出现代码中不存在的字段，比如内部类保持对外部类的访问，会自动添加指向外部类的实例字段。

（3）java中字段无法重载，字段名称不能重名。对于字节码而言，两个字段的描述符（描述字段的数据类型）不一致，字段名称相同是合法的。

 

 六、方法表集合（method_info）

 

1、方法表结构

 方法的访问标志（access_flags）

 

2、特征签名

      java代码中方法的特征签名只包括了方法的名称、参数顺序、参数的类型，而字节码文件中特征签名还包括方法的返回值及受查异常表。

 

3、说明

（1）volatile、transient关键字不能修饰方法，因此访问标志中没有上述两种标志。

（2）java方法中的代码，存放在属性表集合中一个名为“code”的属性里面，后续介绍属性表。

（3）如果父类的方法在子类中没有被重写，方法表集合中不会出现来自父类的方法信息（所见即所得，只针对该类文件中出现的方法进行编译）。同样，可能会出现编译器自动添加方法，典型的为类构造器“<clinit>"和实例构造器"<init>"方法

（4）Java中方法的重载，除了与原方法名称一样，还必须拥有一个与原方法不同的特征签名，返回值不会包括在特征签名之内，java中不能依靠返回值不同对方法重载。

（5）class文件中，两个方法同名，同特征签名，方法的返回值不同，可以共存于一个class文件中。

 

 七、属性表集合

         属性表（attribute_info）：class文件中字段表，方法表可以带有自己的属性表集合，用于描述某些场景的专有信息。

 

虚拟机规范定义的属性：

 

 对于上述属性的名称，则需要从常量池中引用一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量表示，而属性值的结构则是完全自定义的。

 

7.1 Code属性

      java方法体中的代码经过javac编译之后，最终的字节码指令存储在Code属性内。Code属性出现在方法表的属性集合之中，并不是所有的方法都有该属性，比如说：接口，抽象类中的抽象方法。

 

1、code属性

 

code属性的结构：

 

 （1）attribute_name_index是指向CONSTANT_Utf8_info型的常量的索引，常量值固定为“Code”;

          attribute_length指示了属性值的长度，属性名+属性值=u6字节，所以整个code属性减去6字节为属性值的长度；

 

（2）max_stack:操作数栈（Oprand Stacks）深度的最大值。方法执行的任意时刻，操作数栈都不会超过这个深度。虚拟机运行时需要根据这个值来分配栈帧中操作数栈的深度。

 

（3）max_locals:代表局部变量所需的存储空间。max_locals单位是slot。

         slot是虚拟机为局部变量分配内存所使用的最小单位。1slot为32位。

 

（4）code,code_length:用于存储java源程序编译后生成的字节码指令。

         code_length为u4类型的长度值，理论上最大值可以达到2的32次方-1,虚拟机规范中规定方法不允许超过65535条字节码指令，如果超过了该限制，javac编译器会拒绝编译。

         code属性为class文件中的一个重要的属性，如果把一个java程序中信息一分为二，java代码（code，方法体里的java代码）和元数据（Metadata,包括类、字段、方法及其他信息）两部分。code属性则用于描述代码，所有其他数据项用于描述元数据。

 

（5）exception_info：异常表信息

         异常表中有四个字段：start_pc行到end_pc行（不包含end_pc行），出现了catch_type或其子类型异常，则跳转到handler_pc行继续处理。

         如果，catch_type的值为0，代表任何异常情况都要转向到handler_pc处进行处理。

 

 2、Exceptions属性

       该Exceptions属性是在方法表中与Code属性平级的一项属性。Exceptions属性列出的是可抛出的受检查的异常（编译时期的异常），也就是方法上声明的throws关键字后面列出的异常。

 

3、LineNumberTable属性

      该属性用于描述java源码行号与字节码行号之间的对应关系。该属性并不是运行时的必须属性。

 

4、LocalVariableTable属性

      用于描述栈帧中局部变量表中的变量与java源码中定义变量的关系，运行时非必须的属性。

 

5、SourceFile属性

      描述生成class文件的源码文件的名称。该属性为可选属性。

 

6、ConstantValue属性

      该属性通知虚拟机为静态变量自动赋值。

      对于实例变量赋值是在实例构造器<init>方法中进行的；

      类变量两种方式赋值：

              ①类构造器<client>方法中进行。

              ②使用constantvalue属性来赋值。

     如果final，static同时，修饰一个变量则为常量，并且该常量类型的为基本数据类型或者是字符串类型，就生成ConstantValue属性来进行初始化；如果变量未被final修饰，并且为非基本类型以及字符串类型，则选择在<clinit>方法中初始化。

 

7、innerclass属性

      描述内部类与外部类之间的关联。

 

 

上述内容参考自  周志明 《深入理解虚拟机》一书。。。