Class文件详解

我们都知道，Java编译器负责将.java文件编译成.class文件，class文件存储的是java字节码，与.java文件无关（只要你愿意写一个编译器，也可以将别的语言写的源代码编译成.class文件），本文准备详细解剖class文件的内部结构，并且把class文件结构读取并显示出来。
　　
　　Class文件的格式由JVM规范规定，一共有以下部分：
　　
　　1. magic number，必须是0xCAFEBABE，用于快速识别是否是一个class文件。
　　
　　2. version，包括major和minor，如果版本号超过了JVM的识别范围，JVM将拒绝执行。
　　
　　3. constant pool，常量池，存放所有用到的常量。
　　
　　4. access flag，定义类的访问权限。
　　
　　5. this class和super class，指示如何找到this class和super class。
　　
　　6. interfaces，存放所有interfaces。
　　
　　7. fields，存放所有fields。
　　
　　8. methods，存放所有methods。
　　
　　9. attributes，存放所有attributes。
　　
　　先写一个Test.java：
　　
　　package example.test;
　　
　　public final class TestClass {
　　public int id = 1234567;
　　public void test() {}
　　}
　　
　　然后编译，放在C:\example\test\Test.class。
　　
　　我们用Java来读取和分析class，ClassAnalyzer的功能便是读取Test.class，分析结构，然后显示出来：
　　
　　package classfile.format;
　　
　　import java.io.*;
　　
　　public class ClassAnalyzer {
　　
　　public static void main(String[] args) {
　　DataInputStream input = null;
　　try {
　　input = new DataInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream(
　　"C:\\example\\test\\TestClass.class"
　　)));
　　analyze(input);
　　}
　　catch(Exception e) {
　　System.out.println("Analyze failed!");
　　}
　　finally {
　　try { input.close(); } catch(Exception e) {}
　　}
　　}
　　
　　public static void analyze(DataInputStream input) throws IOException {
　　// read magic number:
　　int magic = input.readInt();
　　if(magic==0xCAFEBABE)
　　System.out.println("magic number = 0xCAFEBABE");
　　else
　　throw new RuntimeException("Invalid magic number!");
　　// read minor version and major version:
　　short minor_ver = input.readShort();
　　short major_ver = input.readShort();
　　System.out.println("Version = " + major_ver + "." + minor_ver);
　　// read constant pool:
　　short const_pool_count = input.readShort();
　　System.out.println("constant pool size = " + const_pool_count);
　　// read each constant:
　　for(int i=1; i　　analyzeConstant(input, i);
　　}
　　}
　　
　　public static void analyzeConstant(DataInputStream input, int index) throws IOException {
　　byte flag = input.readByte();
　　// for read:
　　byte n8;
　　short n16;
　　int n32;
　　long n64;
　　float f;
　　double d;
　　byte[] buffer;
　　System.out.println("\nconst index = " + index + ", flag = " + (int)flag);
　　switch(flag) {
　　case 1: // utf-8 string
　　System.out.println(" const type = Utf8");
　　n16 = input.readShort();
　　System.out.println("　　 length = " + n16);
　　buffer = new byte[n16];
　　input.readFully(buffer);
　　System.out.println("　　　value = " + new String(buffer));
　　break;
　　case 3: // integer
　　System.out.println(" const type = Integer");
　　n32 = input.readInt();
　　System.out.println("　　　value = " + n32);
　　break;
　　case 4: // float
　　System.out.println(" const type = Float");
　　f = input.readFloat();
　　System.out.println("　　　value = " + f);
　　break;
　　case 5: // long
　　System.out.println(" const type = Long");
　　n64 = input.readLong();
　　System.out.println("　　　value = " + n64);
　　break;
　　case 6: // double
　　System.out.println(" const type = Double");
　　d = input.readDouble();
　　System.out.println("　　　value = " + d);
　　break;
　　case 7: // class or interface reference
　　System.out.println(" const type = Class");
　　n16 = input.readShort();
　　System.out.println("　　　index = " + n16 + " (where to find the class name)");
　　break;
　　case 8: // string
　　System.out.println(" const type = String");
　　n16 = input.readShort();
　　System.out.println("　　　index = " + n16);
　　break;
　　case 9: // field reference
　　System.out.println(" const type = Fieldref");
　　n16 = input.readShort();
　　System.out.println("class index = " + n16 + " (where to find the class)");
　　n16 = input.readShort();
　　System.out.println("nameAndType = " + n16 + " (where to find the NameAndType)");
　　break;
　　case 10: // method reference
　　System.out.println(" const type = Methodref");
　　n16 = input.readShort();
　　System.out.println("class index = " + n16 + " (where to find the class)");
　　n16 = input.readShort();
　　System.out.println("nameAndType = " + n16 + " (where to find the NameAndType)");
　　break;
　　case 11: // interface method reference
　　System.out.println(" const type = InterfaceMethodref");
　　n16 = input.readShort();
　　System.out.println("class index = " + n16 + " (where to find the interface)");
　　n16 = input.readShort();
　　System.out.println("nameAndType = " + n16 + " (where to find the NameAndType)");
　　break;
　　case 12: // name and type reference
　　System.out.println(" const type = NameAndType");
　　n16 = input.readShort();
　　System.out.println(" name index = " + n16 + " (where to find the name)");
　　n16 = input.readShort();
　　System.out.println(" descripter = " + n16 + " (where to find the descriptor)");
　　break;
　　default:
　　throw new RuntimeException("Invalid constant pool flag: " + flag);
　　}
　　}
　　}
　　
　　输出结果为：
　　
　　magic number = 0xCAFEBABE
　　Version = 48.0
　　constant pool size = 22
　　
　　const index = 1, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 22
　　value = example/test/TestClass
　　
　　const index = 2, flag = 7
　　const type = Class
　　index = 1 (where to find the class name)
　　
　　const index = 3, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 16
　　value = java/lang/Object
　　
　　const index = 4, flag = 7
　　const type = Class
　　index = 3 (where to find the class name)
　　
　　const index = 5, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 2
　　value = id
　　
　　const index = 6, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 1
　　value = I
　　
　　const index = 7, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 6
　　value = <init></init>
　　
　　const index = 8, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 3
　　value = ()V
　　
　　const index = 9, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 4
　　value = Code
　　
　　const index = 10, flag = 12
　　const type = NameAndType
　　name index = 7 (where to find the name)
　　descripter = 8 (where to find the descriptor)
　　
　　const index = 11, flag = 10
　　const type = Methodref
　　class index = 4 (where to find the class)
　　nameAndType = 10 (where to find the NameAndType)
　　
　　const index = 12, flag = 3
　　const type = Integer
　　value = 1234567
　　
　　const index = 13, flag = 12
　　const type = NameAndType
　　name index = 5 (where to find the name)
　　descripter = 6 (where to find the descriptor)
　　
　　const index = 14, flag = 9
　　const type = Fieldref
　　class index = 2 (where to find the class)
　　nameAndType = 13 (where to find the NameAndType)
　　
　　const index = 15, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 15
　　value = LineNumberTable
　　
　　const index = 16, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 18
　　value = LocalVariableTable
　　
　　const index = 17, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 4
　　value = this
　　
　　const index = 18, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 24
　　value = Lexample/test/TestClass;
　　
　　const index = 19, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 4
　　value = test
　　
　　const index = 20, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 10
　　value = SourceFile
　　
　　const index = 21, flag = 1
　　const type = Utf8
　　length = 14
　　value = TestClass.java
　　
　　我们暂时只读取到constant pool，后面的信息下次再继续 :)
　　继续分析Class文件的结构。
　　
　　上次读取了constant pool，紧接着是这个类或接口的Access flags，JVM定义的关于class或interface的Access flags有：
　　
　　private static short ACC_PUBLIC　　= 0x0001;
　　private static short ACC_FINAL　　 = 0x0010;
　　private static short ACC_SUPER　　 = 0x0020;
　　private static short ACC_INTERFACE = 0x0200;
　　private static short ACC_ABSTRACT　= 0x0400;
　　
　　// read access flags:
　　short access_flags = input.readShort();
　　System.out.print("Access flags:");
　　if((access_flags & ACC_PUBLIC) == ACC_PUBLIC)
　　System.out.print(" public");
　　if((access_flags & ACC_FINAL) == ACC_FINAL)
　　System.out.print(" final");
　　if((access_flags & ACC_SUPER) == ACC_SUPER)
　　System.out.print(" super");
　　if((access_flags & ACC_INTERFACE) == ACC_INTERFACE)
　　System.out.print(" interface");
　　if((access_flags & ACC_ABSTRACT) == ACC_ABSTRACT)
　　System.out.print(" abstract");
　　System.out.println();
　　
　　然后是this class和super class：
　　
　　// read this class and super class:
　　short this_class_index = input.readShort();
　　short super_class_index = input.readShort();
　　System.out.println("This class = " + this_class_index);
　　System.out.println("Super class = " + super_class_index);
　　
　　根据this class的index可以从constant pool中得到这个class的信息，super class也一样。每个class都有super class，只有Object的super class index=0。
　　
　　接下来是这个class继承了多少个interface和每个interface在constant pool中的index：
　　
　　// read interfaces count:
　　short interfaces_count = input.readShort();
　　System.out.println("Interfaces count = " + interfaces_count);
　　// read each interface:
　　for(int i=1; i<=interfaces_count; i++) {
　　short interface_index = input.readShort();
　　System.out.println("No. " + i + " interface index = " + interface_index);
　　}
　　
　　结果如下：
　　
　　Access flags: public final super
　　This class = 2
　　Super class = 4
　　Interfaces count = 0