java class文件结构

 

从上图中可以看到，一个 Java 类文件大致可以归为 10 个项：

• Magic：该 项存放了一个 Java 类文件的魔数（magic number）和版本信息。一个 Java 类文件的前 4 个字节被称为它的魔数。每个正确的 Java 类文件都是以 0xCAFEBABE 开头的，这样保证了 Java 虚拟机能很轻松的分辨出 Java 文件和非 Java 文件。
• Version：该项存放了 Java 类文件的版本信息，它对于一个 Java 文件具有重要的意义。因为 Java 技术一直在发展，所以类文件的格式也处在不断变化之中。类文件的版本信息让虚拟机知道如何去读取并处理该类文件。
• Constant Pool：该 项存放了类中各种文字字符串、类名、方法名和接口名称、final 变量以及对外部类的引用信息等常量。虚拟机必须为每一个被装载的类维护一个常量池，常量池中存储了相应类型所用到的所有类型、字段和方法的符号引用，因此 它在 Java 的动态链接中起到了核心的作用。常量池的大小——平均占到了整个类大小的 60% 左右。
• Access_flag：该项指明了该文件中定义的是类还是接口（一个 class 文件中只能有一个类或接口），同时还指名了类或接口的访问标志，如 public，private, abstract 等信息。
• This Class：指向表示该类全限定名称的字符串常量的指针。
• Super Class：指向表示父类全限定名称的字符串常量的指针。
• Interfaces：一个指针数组，存放了该类或父类实现的所有接口名称的字符串常量的指针。以上三项所指向的常量，特别是前两项，在我们用 ASM 从已有类派生新类时一般需要修改：将类名称改为子类名称；将父类改为派生前的类名称；如果有必要，增加新的实现接口。
• Fields：该项对类或接口中声明的字段进行了细致的描述。需要注意的是，fields 列表中仅列出了本类或接口中的字段，并不包括从超类和父接口继承而来的字段。
• Methods：该 项对类或接口中声明的方法进行了细致的描述。例如方法的名称、参数和返回值类型等。需要注意的是，methods 列表里仅存放了本类或本接口中的方法，并不包括从超类和父接口继承而来的方法。使用 ASM 进行 AOP 编程，通常是通过调整 Method 中的指令来实现的。
• Class attributes：该项存放了在该文件中类或接口所定义的属性的基本信息。

以下转载自：http://edu.cryes.com/program/java/27962.html
Java文件结构用类似struct的描述如下:
ClassFile {
u4 magic; // 必须为: 0xCAFEBABE
u2 minor_version;
u2 major_version; //CLASS文件结构主次版本号 JAVA2支持45.0-46.0
u2 constant_pool_count; //记录常量信息
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; //计数从1开始
u2 access_flags; //class/interface访问权限
u2 this_class; //指向constant_poll中的有效索引值
u2 super_class; //0或指向constant_poll中的有效索引值,对于interface必须为非0
u2 interfaces_count; //superinterfaces的个数
u2 interfaces[interfaces_count]; //计数[0,count-1) 对应constant_pool中的一个索引值
u2 fields_count; 
field_info fields[fields_count]; //主要用于记录class及实例中的变量
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
cp_info {
u1 tag; 
u1 info[]; 
} 
tag 意义如下: 

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

此时cp_info分别对应结构变化为

1. CONSTANT_Class 
        CONSTANT_Class_info {
                u1 tag;
                u2 name_index;
        }

        2. CONSTANT_Fieldref
          CONSTANT_Fieldref_info {
                    u1 tag;
                    u2 class_index;  //constant_pool的索引，对应CONSTANT_Class_info 
                    u2 name_and_type_index;//constant_pool的索引，对应CONSTANT_NameAndType_info 
          }

        3. CONSTANT_Methodref
           CONSTANT_Methodref_info {
                    u1 tag;
                    u2 class_index;
                    u2 name_and_type_index;
           }

        4. CONSTANT_InterfaceMethodref
           CONSTANT_InterfaceMethodref_info {
                    u1 tag;
                    u2 class_index;
                    u2 name_and_type_index;
           }

        5. CONSTANT_String
           CONSTANT_String_info {
                    u1 tag;
                    u2 string_index;
            }

        6. CONSTANT_Integer
            CONSTANT_Integer_info {
                    u1 tag;
                    u4 bytes;
            }


        7. CONSTANT_Float
           CONSTANT_Float_info {
                    u1 tag;
                    u4 bytes;
           }

        8. CONSTANT_Long
            CONSTANT_Long_info {
                    u1 tag;
                    u4 high_bytes;
                    u4 low_bytes;
             }

        9. CONSTANT_Double
           CONSTANT_Double_info {
                    u1 tag;
                    u4 high_bytes;
                    u4 low_bytes
           }

        10.CONSTANT_NameAndType
            CONSTANT_NameAndType_info {
                    u1 tag;
                    u2 name_index;
                    u2 descriptor_index;
            }

        11.CONSTANT_Utf8
            CONSTANT_Utf8_info {
                    u1 tag;
                    u2 length;
                    u1 bytes[length];
            }

access_flags意义如下:

ACC_PUBLIC     0x0001  
        ACC_FINAL      0x0010  
        ACC_SUPER      0x0020  
        ACC_INTERFACE  0x0200  
        ACC_ABSTRACT   0x0400  

如果是interface那么必须置ACC_INTERFACE,如果没有置ACC_INTERFACE则定义的是一个类而非接口。
如果设置了ACC_INTERFACE，那么ACC_ABSTRACT位也必须被设置，当然也可以设置ACC_PUBLIC。
ACC_SUPER用以表明invokespecial语义,Sun公司老的JAVA编译器没有设置ACC_SUPER,并且老的JVM
忽略ACC_SUPER位，但新的编译器应该实现invokespecial语义。
其他未指明的位保留将来使用，并且编译器应当将其置为0，同时Java虚拟机应当忽略他们。
this_class: constant_pool中的索引值,指向的元素的cp_info等价为CONSTANT_Class_info 
CONSTANT_Class_info {
u1 tag; //必须为CONSTANT_Class (7)
u2 name_index; //为指向constant_pool中的一个索引值
}
name_index :指向的元素的cp_info等价为CONSTANT_Utf8_info 
CONSTANT_Utf8_info {
u1 tag; //必须为CONSTANT_Utf8 (1)
u2 length; 
u1 bytes[length]; //Utf8编码的字符串
}
field_info {
u2 access_flags; //访问控制权
u2 name_index; //constant_pool中的索引，对应于CONSTANT_Utf8_info描述。
u2 descriptor_index; //constant_pool中的索引，对应于CONSTANT_Utf8_info描述。
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count]; //attribute_info将在mothods后描述。
}
field_info中access_flages意义如下:
ACC_PUBLIC 0x0001
ACC_PRIVATE 0x0002
ACC_PROTECTED 0x0004
ACC_STATIC 0x0008
ACC_FINAL 0x0010
ACC_VOLATILE 0x0040
ACC_TRANSIENT 0x0080
其中很显然不能同时为ACC_FINAL和ACC_VOLATILE ;且前三项是互斥的。
interface必须置ACC_PUBLIC, ACC_STATIC,ACC_FINAL位，且不能置其他位。
其他未指明的位保留将来使用，并且编译器应当将其置为0，同时Java虚拟机应当忽略他们。
methods指明了类中的所有方法。
method_info {
u2 access_flags;
u2 name_index; //指向constant_pool的入口，对应为CONSTANT_Utf8_info 
u2 descriptor_index; //指向constant_pool的入口，对应为CONSTANT_Utf8_info
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
//此处只能出现Code、Exceptions、Synthetic、Deprecated四种类型的属性
}

access_flags访问权描述如下:

ACC_PUBLIC        0x0001 
            ACC_PRIVATE       0x0002 
            ACC_PROTECTED     0x0004 
            ACC_STATIC        0x0008 
            ACC_FINAL         0x0010 
            ACC_SYNCHRONIZED  0x0020 
            ACC_NATIVE        0x0100 
            ACC_ABSTRACT      0x0400 
            ACC_STRICT        0x0800  

attribute_info {
u2 attribute_name_index; //constant_pool中的索引，对应于CONSTANT_Utf8_info描述。
u4 attribute_length;
u1 info[attribute_length];
}
现在已经预定义的属性有:
1. SourceFile : attribute_info被替代为:
SourceFile_attribute {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length;
u2 sourcefile_index; //指向constant_pool中的一个CONSTANT_Utf8_info 结构。
}
2. ConstantValue : attribute_info被替代为:
ConstantValue_attribute {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length; //必须为2
u2 constantvalue_index;
}
对于constantvalue_index意义如下:
long CONSTANT_Long 
float CONSTANT_Float 
double CONSTANT_Double 
int, short, char, byte, boolean CONSTANT_Integer 
String CONSTANT_String 
ConstantValue用于field_info 中，用于描述一个static常量,
且此时field_info的access_flags应为ACC_STATIC 
3. Code : attribute_info被替代为:
Code_attribute {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length;
u2 max_stack; //执行此函数时可用的栈的最大深度
u2 max_locals; //执行此函数可用到的最大本地变量数目，包括参数。
// 注意:一个long/double相当于2个变量数目.
u4 code_length; //本函数用到的代码长度。
u1 code[code_length]; //实现本函数的真正字节码
u2 exception_table_length;
{ u2 start_pc;
u2 end_pc; //捕获违例时执行代码数组中的[start_pc, end_pc)部分
u2 handler_pc; //现在还不大明白他是干嘛的!!
u2 catch_type; //指向constant_pool的索引，对应CONSTANT_Class_info 
}exception_table[exception_table_length];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
CONSTANT_Class_info {
u1 tag; //必须为CONSTANT_Class (7)
u2 name_index; //不用我再说了吧?
}
Code属性用于method_info结构中。
4. Exceptions : attribute_info被替代为:
Exceptions_attribute {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length;
u2 number_of_exceptions;
u2 exception_index_table[number_of_exceptions];
}
5. InnerClasses : attribute_info被替代为:
InnerClasses_attribute {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length;
u2 number_of_classes;
{ u2 inner_class_info_index; 
u2 outer_class_info_index; 
u2 inner_name_index; 
u2 inner_class_access_flags; 
} classes[number_of_classes];
}
6. Synthetic : attribute_info被替代为:
Synthetic_attribute {
u2 attribute_name_index; //不用废话了吧?
u4 attribute_length; //必须为0
}
Synthetic用在 field_info、 method_info 中，
一个没有出现在源程序中的变量必须使用Synthetic标记。
7. LineNumberTable : attribute_info被替代为:
LineNumberTable_attribute {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length;
u2 line_number_table_length;
{ u2 start_pc; //代码数组中的开始处
u2 line_number; //源文件中的行号(对于每一非空行都有这么一项) 
} line_number_table[line_number_table_length];
}
LineNumberTable用于Code属性中，通常用于调试。
8. LocalVariableTable : attribute_info被替代为:
LocalVariableTable_attribute {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length;
u2 local_variable_table_length;
{ u2 start_pc;
u2 length; //当解释到代码数组的[start_pc,start_pc+length]
//时变量必须被赋值??
u2 name_index;
u2 descriptor_index;
u2 index; //到本地变量数组的一个索引
} local_variable_table[local_variable_table_length];
} 
9. Deprecated : attribute_info被替代为:
Deprecated_attribute {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length; //必须为0
}
当然你也可以定义自己的属性，但要你自己的编译器和虚拟机实现。JVM将忽略自己不认可的属性。
来实践一下吧!
编写一个最简单的程序:
class Test 
{
public static void main(String[] args) 
{
System.out.println("Hello World!");
}
}
c:\work>javac Test.java
c:\work>filedump Test.class
File Dump V0.3 Beta by cloud ([e-mail]).
01:00 ca fe ba be 00 03 00 2d 00 1d 0a 00 06 00 0f 09 .......-........
01:01 00 10 00 11 08 00 12 0a 00 13 00 14 07 00 15 07 ................
01:02 00 16 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29 .....<init>...()
01:03 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e V...Code...LineN
01:04 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 04 6d 61 69 umberTable...mai
01:05 6e 01 00 16 28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 n...([Ljava/lang
01:06 2f 53 74 72 69 6e 67 3b 29 56 01 00 0a 53 6f 75 /String;)V...Sou
01:07 72 63 65 46 69 6c 65 01 00 09 54 65 73 74 2e 6a rceFile...Test.j
>d
02:00 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 17 0c 00 18 00 19 ava.............
02:01 01 00 0c 48 65 6c 6c 6f 20 57 6f 72 6c 64 21 07 ...Hello World!.
02:02 00 1a 0c 00 1b 00 1c 01 00 04 54 65 73 74 01 00 ..........Test..
02:03 10 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 .java/lang/Objec
02:04 74 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 t...java/lang/Sy
02:05 73 74 65 6d 01 00 03 6f 75 74 01 00 15 4c 6a 61 stem...out...Lja
02:06 76 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 va/io/PrintStrea
02:07 6d 3b 01 00 13 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 m;...java/io/Pri
>d
03:00 6e 74 53 74 72 65 61 6d 01 00 07 70 72 69 6e 74 ntStream...print
03:01 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 ln...(Ljava/lang
03:02 2f 53 74 72 69 6e 67 3b 29 56 00 20 00 05 00 06 /String;)V. ....
03:03 00 00 00 00 00 02 00 00 00 07 00 08 00 01 00 09 ................
03:04 00 00 00 1d 00 01 00 01 00 00 00 05 2a b7 00 01 ............*...
03:05 b1 00 00 00 01 00 0a 00 00 00 06 00 01 00 00 00 ................
03:06 01 00 09 00 0b 00 0c 00 01 00 09 00 00 00 25 00 ..............%.
03:07 02 00 01 00 00 00 09 b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 ................
>d
04:00 00 00 00 01 00 0a 00 00 00 0a 00 02 00 00 00 05 ................
04:01 00 08 00 06 00 01 00 0d 00 00 00 02 00 0e ..............
>
解读一下：
ca fe ba be magic
00 03 00 2d 次主版本号，换算一下: 45.3 (注意，不是高字节在前,别犯职业病！)
00 1d constant_pool元素个数加一 : 29 那么constant_pool就是[1-28]
constant_pool: 1-28
1. 0a 00 06 00 0f 
0x0a :CONSTANT_InterfaceMethodref 0x06 :class index 0x0f :name-type-index
2. 09 00 10 00 11
0x09 : CONSTANT_Fieldref 0x10: . . . 0x11 : . . . .
3. 08 00 12 0x08 : CONSTANT_String 0x12 : string_index
4. 0a 00 13 00 14 0x0a同于1.
5. 07 00 15 0x07 : CONSTANT_Class 0x15 : name_index
6. 07 00 16 
7. 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 ...<init> 
0x01 CONSTANT_Utf8 0x06 : string length "<init>" : 构造函数
8. 01 00 03 28 29 56 ...()V 函数，无参数
0x01 . . . . . . 0x03 : . . . . "()V" : . . .
9. 01 00 04 43 6f 64 65 ...Code
10. 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 ...LineNumberTable
11. 01 00 04 6d 61 69 6e ...main
12. 01 00 16 28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b 29 56 
...([Ljava/lang/String;)
V 函数，参数为String[]类型
13. 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46 69 6c 65 ...SourceFile
14. 01 00 09 54 65 73 74 2e 6a 61 76 61 ...Test.java
15. 0c 00 07 00 08 0x0c:CONSTANT_NameAndType 07 : name-index 08:name-type-index
16. 07 00 17
17. 0c 00 18 00 19
18. 01 00 0c 48 65 6c 6c 6f 20 57 6f 72 6c 64 21 ...Hello World!
19. 07 00 1a
20. 0c 00 1b 00 1c
21. 01 00 04 54 65 73 74 ...Test
22. 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 ...java/lang/Object
23. 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d ...java/lang/System
24. 01 00 03 6f 75 74 ...out
25. 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b
...Ljava/io/PrintStream;
26. 01 00 13 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d...java/io/PrintStream
27. 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e ...println
28. 01 00 15 28 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b 29 56
...(Ljava/lang/String;)V
00 20 access_flags 
00 05 this_class
00 06 super_class
00 00 interfaces_count
00 00 fields_count
00 02 methods_count
methods[2]:
method_info {
u2 access_flags;
u2 name_index; 
u2 descriptor_index;
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
0. 00 00 access_flags;
00 07 name_index; 看看constant_pool的第7项: <init> 表明当前描述构造函数
00 08 descriptor_index;
00 01 attributes_count;
00 09 attribute_name_index 0x09 看看constant_pool的第9项,简单明了Code ！！ 
00 00 00 1d attribute_length = 29
00 01 max_stack
00 01 max_locals
00 00 00 05 code_length
2a b7 00 01 b1 JVM定义的操作码代码段数组
00 00 exception_table_length
00 01 attributes_count 一个,接下来是attribute_info结构
00 0a attribute_name_index 看看constant_pool的第10项: LineNumberTable(显然调试用)
00 00 00 06 attribute_length
00 01 line_number_table_length
00 00 start_pc
00 01 line_number
1. 00 09 access_flags PUBLIC & STATIC
00 0b name_index; 表明当前描述main函数
00 0c descriptor_index; ...([Ljava/lang/String;)V
00 01 attributes_count;
00 09 attribute_name_index Code
00 00 00 25 attribute_length = 37
00 02 max_stack
00 01 max_locals 
00 00 00 09 code_length
b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 代码数组 codeArray1[0-8]
00 00 exception_table_length
00 01 attributes_count 接下来是attribute_info结构
00 0a attribute_name_index LineNumberTable
00 00 00 0a attribute_length
00 02 line_number_table_length
00 00 start_pc
00 05 line_number
00 08 start_pc : codeArray1[8] = 0xb1 --> return
00 06 line_number 第6行源程序为 }
00 01 attributes_count
00 0d attribute_name_index 属性为SourceFile
00 00 00 02 attribute_length
00 0e sourcefile_index constant_pool[0x0e] --- > "Test.java"
接下来我们看看main()函数对应的代码:
b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1
0xb2 0x00 0x02 : getstatic #2
看看constant_pool[0x02] :09 00 10 00 11
0x09 : CONSTANT_Fieldref 0x10: class index 0x11 :name-type-index
constant_pool[0x10]: --> constant_pool[0x17] : java/lang/System
constant_pool[0x11]: 0x18 : class index 0x19 :name-type-index
constant_pool[0x18] : out
constant_pool[0x19] : Ljava/io/PrintStream
即 System.out 为 java.io.PrintStream 类型
0x12 0x03 : ldc #3
看看 constant_pool[3] : 08 00 12 0x08 : CONSTANT_String 0x12 : string_index
指向一个字符串 constant_pool[0x12]: "Hello World!"
故该指令加载了字符串索引到本地栈
0xb6 0x00 0x04: invokevirtual #4 
------->到constant_pool查查 0x13 :class 0x14 :name-type
看看constant_pool[0x13]:java/io/PrintStream
constant_pool[20] :--> 00 1b 00 1c
constant_pool[0x1b]:println
. . . . :(Ljava/lang/String;)V
故该指令调用了 java.io.PrintStream.println(java.lang.String)
而参数则为 ldc #3 加载的 "Hello World!"
0xb1 : return