Java虚拟机学习笔记（四）class文件

一、class文件内容

每个class文件只 能包含一个类或接口；

class文件内容按顺序如下：

1. magic（魔数）-u4
   • 0xCAFEBABE，其作用在于可以轻松辨别出Java class文件和非Java class文件；
2. minor_version-u2和major_version-u2（次、主版本号）
   • 对于虚拟机来说，主次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，虚拟机才能读取该class文件；
   • 如下图所示
     
     第5、6字节表示次版本号=0
     第7、8字节表示主版本号=50(高位在前)
3. constant_pool_count-u2和constant_pool（常量池）
   • 常量池的数量为constant_pool_count-1，其索引从1开始；
   • 除直接常量外，常量池还包括类和接口的全限定名、字段的名称和描述符以及方法的名称和描述符等符号引用；
   • 每个常量池入口都有一个字节的标志，这个标志指出了列表中该位置的常量类型。虚拟机获取这个标志后，就知道在标志后面的常量类型了；其中每一 个标志都有一个相对应的表结构来描述该常量池；具体类型如下表所示：
     
4. access_flags（访问标志）-u2
   • 访问标志展示了文件中类或接口的如下信息： 标志名 值 设置后的含义

     ACC_PUBLIC	0x0001	public类型
     ACC_FINAL	0x0010	类为final类型
     ACC_SUPER	0x0020	使用新型的invokespecial语义
     ACC_INTERFACE	0x0200	接口类型，不是类类型
     ACC_ABSTRACT	0x0400	abstract类型

     附:invokespecial和invokevirtual
     invokespecial指静态绑定后，由JVM产生调用的方法。如super()，以及super.someMethod()，都属于 invokespecial；
     invokevirtual指动态绑定后，由JVM产生调用的方法。如obj.someMethod()，属于invokevirtual；
     正是由于这两种绑定的不同，在子类覆盖超类的方法、并向上转型引用后，才产生了多态以及其他特殊的调用结果。

5. this_class-u2（当前类）
   • 它是一个对常量池的索引，在this_class位置的常量池入口必须为CONSTANT_Class类型对应的表结构 CONSTANT_Class_info...；
   • 下图显示了常量池的使用方法：
     
     在CONSTANT_Utf8_info表的bytes里存放的即是当前类的全限定名字符串；
6. super_class-u2（直接超类）
   • 和this_class表示的内容相同；
   • 除了java.lang.Object类以外，常量池索引super_class对于所有类均有效；
   • 对于java.lang.Object，其super_class为0；
   • 对于接口，其super_class指向的常量池为java.lang.Object；
7. interfaces_count-u2和interfaces（接口列表）
   • 保存该类直接实现或该接口所扩展的接口数量；
   • 接口按implements子句和extends子句出现的顺序显现；
   • interfaces表中的每一项都是对父接口的常量池的索引，该索引用CONSTANT_Class_info来描述；
   • 如果接口数为0，则没有interfaces表；
8. fields_count-u2和fields（字段列表）
   • 只有在class文件中由类或接口声明了的字段才在fields列表中列出，不列出从超类或父接口中继承而来的字段；
   • fields列表可能会包含在对应的Java源文件中没有叙述的字段，这是因为Java编译器可能会在编译时向类或者接口添加字段；如对一个内部类的fields列表来说，为了保持对外围类实例的引用，Java编译器会为每个外围类实例添加实例变量 ；
   • 第个field_info表包含以下字段信息：
     • 字段名字
     • 字段描述符和修饰符
     • 如果该字段被声明为final，则还包含其常量值；
9. methods_count-u2和methods（方法列表）
   • methods_count表示该类或接口中所声明的所有方法的总计数，不包括超类或都父接口中继承来的方法；
   • methods列表中包含以下信息：
     • 方法名和描述符（方法的返回值类型和参数类型）
     • 如果方法即不是抽象的，也不是本地的，则还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
     • 如果方法能够抛出任何已验证异常，则methods列表就会包括一个关于这些已验证异常的列 表
10. attributes_count-u2和attributes（属性列表）
    • class文件中最后的部分是属性，它给出了该文件中类或接口所定义的属性的基本信息；
    • 每个attribute_info表的第一项是指向常量池中CONSTANT_Utf8_info表的索引，该表给出了属性的名称；

class文件内容举例

1. 代码
   public interface MyInterface {
       void hello();
   }
2. 编译后其字节码如下图：
   
   • 常量池数"0009"表示后面紧接着有8个常量池项
   • 常量池索引1表示一个CONSTANT_Class_info表（07），它引用索引为7的常量池；
   • 常量池索引1表示一个CONSTANT_Class_info表（07），它引用索引为8的常量池；
   • 常量池索引3表示一个CONSTANT_Utf8_info表（01），其内容为hello（方法名）；
   • 常量池索引4表示一个CONSTANT_Utf8_info表（01），其内容为()V（方法参数与返回值）；
   • 常量池索引5表示一个CONSTANT_Utf8_info表（01），其内容为SourceFile（某属性值）；
   • 常量池索引6表示一个CONSTANT_Utf8_info表（01），其内容为MyInterface.java（某属性值）；
   • 常量池索引7表示一个CONSTANT_Utf8_info表（01），其内容为MyInterface，被常量池索引1引用到（当前类）；
   • 常量池索引8表示一个CONSTANT_Utf8_info表（01），其内容为java/lang/Object，被常量池索引2引用到 （超类）；
   • 访问标志"0601"表示是public（0001）、abstract（0400），且是接口（0200）；
   • 当前类索引号"0001"表示指向常量池索引1，指明当前类为MyInterface；
   • 超类索引号"0002"表示指向常量池索引2，指明超类为java/lang/Object；
   • 实现的接口数"0000"表示没有实现任何接口；
   • 字段数"0000"表示该接口没有字段；
   • 方法数"0001"表示接口有一个方法；
   • 剩下的字节码为方法列表及属性列表；

二、特殊字符串

全限定名

常量池指向类或者接口时，给出的是全限定名，形如java/util/Hashtable；

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，如上例中的常量池索引3中的"hello"；

描述符

1. 指向字段和方法的符号引用还包含描述符字符串；字段的描述符给出了字段的类型，方法描述符给出了方法的返回值和方法参数的数量、类型以及顺序；
2. 描述符使用上下文无关语法：斜体表示非终结符，等宽字体表示终结符；
3. 如下所示：
   
4. 基本类型终结符 终结符 类型

   B	byte
   C	char
   D	double
   F	float
   I	int
   J	long
   S	short
   Z	boolean

5. 描述符举例 描述符 说明

   I	int i;
   [Ljava/lang/Object;	java.lang.Object[] obj;
   ([BII)Ljava/lang/String;	String method(byte[] b, int i, int j)
   ZILjava/lang/String;II()Z	boolean method(boolean b, int i, String s, int j, int k)