Class類文件的結構

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　　Sun公司以及其他虛擬機提供商發(fā)布了許多可以運行在各種不同平臺上的虛擬機，這些虛擬機都可以載入和執(zhí)行同一種平臺無關的的程序存儲格式——字節(jié)碼（ByteCode），從而實現(xiàn)了程序的“一次編寫，到處運行”。

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　　　　　　　　　　　　　　　　Java虛擬機提供的語言無關性

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　　“Class文件”這種特定的二進制文件格式所關聯(lián)，Class文件中包含了Java虛擬機指令集和符號表以及若干其他輔助信息。使用Java編譯器可以把Java代碼編譯為存儲字節(jié)碼的Class文件。

Class類文件的結構：

　　根據(jù)Java虛擬機規(guī)范的規(guī)定，Class文件格式采用一種類似于C語言結構體的偽結構來存儲數(shù)據(jù)，這種偽結構中只有兩種數(shù)據(jù)類型：無符號數(shù)和表，后面的解析都要以這兩種數(shù)據(jù)類型為基礎，所以這里要先介紹這兩個概念。無符號數(shù)屬于基本的數(shù)據(jù)類型，以u1、u2、u4、u8來分別代表1個字節(jié)、2個字節(jié)、4個字節(jié)和8個字節(jié)的無符號數(shù)，無符號數(shù)可以用來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或者按照UTF-8編碼構成字符串值。表是由多個無符號數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項構成的復合數(shù)據(jù)類型，所有表都習慣性地以“_info”結尾。表用于描述有層次關系的復合結構的數(shù)據(jù)，整個Class文件本質上就是一張表，它由表6-1所示的數(shù)據(jù)項構成。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Class文件格式

1、 魔數(shù)

　　每個Class文件的頭4個字節(jié)稱為魔數(shù)（Magic Number），它的唯一作用是確定這個文件是否為一個能被虛擬機接受的Class文件。Class文件的魔數(shù)的獲得很有“浪漫氣息”，值為：0xCAFEBABE（咖啡寶貝？）。

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2、Class文件的版本

　　緊接著魔數(shù)的4個字節(jié)存儲的是Class文件的版本號：第5和第6個字節(jié)是次版本號（Minor Version），第7和第8個字節(jié)是主版本號（Major Version）。Java的版本號是從45開始的，JDK 1.1之后的每個JDK大版本發(fā)布主版本號向上加1（JDK 1.0～1.1使用了45.0～45.3的版本號），高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但不能運行以后版本的Class文件，即使文件格式并未發(fā)生任何變化，虛擬機也必須拒絕執(zhí)行超過其版本號的Class文件。

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Class文件版本號

3、常量池

　　緊接著主次版本號之后的是常量池入口，常量池可以理解為Class文件之中的資源倉庫，它是Class文件結構中與其他項目關聯(lián)最多的數(shù)據(jù)類型，也是占用Class文件空間最大的數(shù)據(jù)項目之一，同時它還是在Class文件中第一個出現(xiàn)的表類型數(shù)據(jù)項目。

常量池中主要存放兩大類常量：字面量（Literal）和符號引用（Symbolic References）。

　　字面量比較接近于Java語言層面的常量概念，如文本字符串、聲明為final的常量值等。

　　而符號引用則屬于編譯原理方面的概念，包括了下面三類常量：

(1) 類和接口的全限定名（Fully Qualified Name）

(2) 字段的名稱和描述符（Descriptor）

(3) 方法的名稱和描述符

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　　常量池中每一項常量都是一個表，在JDK 1.7之前共有11種結構各不相同的表結構數(shù)據(jù)，在JDK 1.7中為了更好地支持動態(tài)語言調(diào)用，又額外增加了3種（
CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_MethodType_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info，本章不會涉及這3種新增的類型，在第8章介紹字節(jié)碼執(zhí)行和方法調(diào)用時，將會詳細講解）。這14種表都有一個共同的特點，就是表開始的第一位是一個u1類型的標志位（tag，取值見表6-3中標志列），代表當前這個常量屬于哪種常量類型。這14種常量類型所代表的具體含義見下表。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　常量池的項目類型

4 、訪問標志

　　在常量池結束之后，緊接著的兩個字節(jié)代表訪問標志（access_flags），這個標志用于識別一些類或者接口層次的訪問信息，包括：這個Class是類還是接口；是否定義為public類型；是否定義為abstract類型；如果是類的話，是否被聲明為final等。具體的標志位以及標志的含義見下表。

訪問標志

5 、類索引、父類索引與接口索引集合

　　類索引（this_class）和父類索引（super_class）都是一個u2類型的數(shù)據(jù)，而接口索引集合（interfaces）是一組u2類型的數(shù)據(jù)的集合，Class文件中由這三項數(shù)據(jù)來確定這個類的繼承關系。類索引用于確定這個類的全限定名，父類索引用于確定這個類的父類的全限定名。由于Java語言不允許多重繼承，所以父類索引只有一個，除了java.lang.Object之外，所有的Java類都有父類，因此除了java.lang.Object外，所有Java類的父類索引都不為0。接口索引集合就用來描述這個類實現(xiàn)了哪些接口，這些被實現(xiàn)的接口將按implements語句（如果這個類本身是一個接口，則應當是extends語句）后的接口順序從左到右排列在接口索引集合中。

類索引、父類索引和接口索引集合都按順序排列在訪問標志之后，類索引和父類索引用兩個u2類型的索引值表示，它們各自指向一個類型為CONSTANT_Class_info的類描述符常量，通過CONSTANT_Class_info類型的常量中的索引值可以找到定義在CONSTANT_Utf8_info類型的常量中的索引值可以找到定義在CONSTANT_Utf8_info類型的常量中的全限定名字符串。圖6-6演示了代碼清單6-1的代碼的類索引查找過程。對于接口索引集合，入口的第一項——u2類型的數(shù)據(jù)為接口計數(shù)器（interfaces_count），表示索引表的容量。如果該類沒有實現(xiàn)任何接口，則該計數(shù)器值為0，后面接口的索引表不再占用任何字節(jié)。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6-6 類索引查找全限定名的過程

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6 、字段表集合

　　字段表（field_info）用于描述接口或者類中聲明的變量。字段（field）包括類級變量以及實例級變量，但不包括在方法內(nèi)部聲明的局部變量。我們可以想一想在Java中描述一個字段可以包含什么信息？可以包括的信息有：字段的作用域（public、private、protected修飾符）、是實例變量還是類變量（static修飾符）、可變性（final）、并發(fā)可見性（volatile修飾符，是否強制從主內(nèi)存讀寫）、可否被序列化（transient修飾符）、字段數(shù)據(jù)類型（基本類型、對象、數(shù)組）、字段名稱。上述這些信息中，各個修飾符都是布爾值，要么有某個修飾符，要么沒有，很適合使用標志位來表示。而字段叫什么名字、字段被定義為什么數(shù)據(jù)類型，這些都是無法固定的，只能引用常量池中的常量來描述。表6-8中列出了字段表的最終格式。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-8 字段表結構

　　字段修飾符放在access_flags項目中，它與類中的access_flags項目是非常類似的，都是一個u2的數(shù)據(jù)類型，其中可以設置的標志位和含義見表6-9。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-9 字段訪問標志

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　　很明顯，在實際情況中，ACC_PUBLIC、ACC_PRIVATE、ACC_PROTECTED三個標志最多只能選擇其一，ACC_FINAL、ACC_VOLATILE不能同時選擇。接口之中的字段必須有ACC_PUBLIC、ACC_STATIC、ACC_FINAL標志，這些都是由Java本身的語言規(guī)則所決定的。

　　跟隨access_flags標志的是兩項索引值：name_index和descriptor_index。它們都是對常量池的引用，分別代表著字段的簡單名稱以及字段和方法的描述符。現(xiàn)在需要解釋一下“簡單名稱”、“描述符”以及前面出現(xiàn)過多次的“全限定名”這三種特殊字符串的概念。

全限定名和簡單名稱很好理解，以代碼清單6-1中的代碼為例，“
　　org/fenixsoft/clazz/TestClass”是這個類的全限定名，僅僅是把類全名中的“.”替換成了“/”而已，為了使連續(xù)的多個全限定名之間不產(chǎn)生混淆，在使用時最后一般會加入一個“;”表示全限定名結束。簡單名稱是指沒有類型和參數(shù)修飾的方法或者字段名稱，這個類中的inc()方法和m字段的簡單名稱分別是“inc”和“m”。

　　相對于全限定名和簡單名稱來說，方法和字段的描述符就要復雜一些。描述符的作用是用來描述字段的數(shù)據(jù)類型、方法的參數(shù)列表（包括數(shù)量、類型以及順序）和返回值。根據(jù)描述符規(guī)則，基本數(shù)據(jù)類型（byte、char、double、float、int、long、short、boolean）以及代表無返回值的void類型[插圖]都用一個大寫字符來表示，而對象類型則用字符L加對象的全限定名來表示，詳見表6-10。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-10 描述符標識字符含義

　　字段表集合中不會列出從超類或者父接口中繼承而來的字段，但有可能列出原本Java代碼之中不存在的字段，譬如在內(nèi)部類中為了保持對外部類的訪問性，會自動添加指向外部類實例的字段。另外，在Java語言中字段是無法重載的，兩個字段的數(shù)據(jù)類型、修飾符不管是否相同，都必須使用不一樣的名稱，但是對于字節(jié)碼來講，如果兩個字段的描述符不一致，那字段重名就是合法的。

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7、 方法表集合

　　方法表的結構如同字段表一樣，依次包括了訪問標志（access_flags）、名稱索引（name_index）、描述符索引（descriptor_index）、屬性表集合（attributes）幾項，見表6-11。這些數(shù)據(jù)項目的含義也非常類似，僅在訪問標志和屬性表集合的可選項中有所區(qū)別。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-11 方法表結構

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　　因為volatile關鍵字和transient關鍵字不能修飾方法，所以方法表的訪問標志中沒有了ACC_VOLATILE標志和ACC_TRANSIENT標志。與之相對的，synchronized、native、strictfp和abstract關鍵字可以修飾方法，所以方法表的訪問標志中增加了ACC_SYNCHRONIZED、ACC_NATIVE、ACC_STRICTFP和ACC_ABSTRACT標志。對于方法表，所有標志位及其取值可參見表6-12。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-12 方法訪問標志

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8、屬性表集合

　　屬性表（attribute_info）在前面的講解之中已經(jīng)出現(xiàn)過數(shù)次，在Class文件、字段表、方法表都可以攜帶自己的屬性表集合，以用于描述某些場景專有的信息。

在最新的《Java虛擬機規(guī)范（Java SE 7）》版中，預定義屬性已經(jīng)增加到21項，具體內(nèi)容見表6-13。下文中將對其中一些屬性中的關鍵常用的部分進行講解。

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　　　　　　　　　　　　　　　　表6-13 虛擬機規(guī)范預定義的屬性

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　　對于每個屬性，它的名稱需要從常量池中引用一個CONSTANT_Utf8_info類型的常量來表示，而屬性值的結構則是完全自定義的，只需要通過一個u4的長度屬性去說明屬性值所占用的位數(shù)即可。一個符合規(guī)則的屬性表應該滿足表6-14中所定義的結構。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-14 屬性表結構

（1）Code屬性

　　Java程序方法體中的代碼經(jīng)過Javac編譯器處理后，最終變?yōu)樽止?jié)碼指令存儲在Code屬性內(nèi)。Code屬性出現(xiàn)在方法表的屬性集合之中，但并非所有的方法表都必須存在這個屬性，譬如接口或者抽象類中的方法就不存在Code屬性。

（2）Exceptions屬性

　　這里的Exceptions屬性是在方法表中與Code屬性平級的一項屬性，讀者不要與前面剛剛講解完的異常表產(chǎn)生混淆。Exceptions屬性的作用是列舉出方法中可能拋出的受查異常（Checked Excepitons），也就是方法描述時在throws關鍵字后面列舉的異常。

（3）LineNumberTable屬性

　　LineNumberTable屬性用于描述Java源碼行號與字節(jié)碼行號（字節(jié)碼的偏移量）之間的對應關系。它并不是運行時必需的屬性，但默認會生成到Class文件之中，可以在Javac中分別使用-g:none或-g:lines選項來取消或要求生成這項信息。如果選擇不生成LineNumberTable屬性，對程序運行產(chǎn)生的最主要的影響就是當拋出異常時，堆棧中將不會顯示出錯的行號，并且在調(diào)試程序的時候，也無法按照源碼行來設置斷點。

（4）LocalVariableTable屬性

　　LocalVariableTable屬性用于描述棧幀中局部變量表中的變量與Java源碼中定義的變量之間的關系，它也不是運行時必需的屬性，但默認會生成到Class文件之中，可以在Javac中分別使用-g:none或-g:vars選項來取消或要求生成這項信息。如果沒有生成這項屬性，最大的影響就是當其他人引用這個方法時，所有的參數(shù)名稱都將會丟失，IDE將會使用諸如arg0、arg1之類的占位符代替原有的參數(shù)名，這對程序運行沒有影響，但是會對代碼編寫帶來較大不便，而且在調(diào)試期間無法根據(jù)參數(shù)名稱從上下文中獲得參數(shù)值。

（5）SourceFile屬性

　　SourceFile屬性用于記錄生成這個Class文件的源碼文件名稱。這個屬性也是可選的，可以分別使用Javac的-g:none或-g:source選項來關閉或要求生成這項信息。在Java中，對于大多數(shù)的類來說，類名和文件名是一致的，但是有一些特殊情況（如內(nèi)部類）例外。如果不生成這項屬性，當拋出異常時，堆棧中將不會顯示出錯代碼所屬的文件名。這個屬性是一個定長的屬性

（6）ConstantValue屬性

　　ConstantValue屬性的作用是通知虛擬機自動為靜態(tài)變量賦值。只有被static關鍵字修飾的變量（類變量）才可以使用這項屬性。

（7）InnerClasses屬性

　　InnerClasses屬性用于記錄內(nèi)部類與宿主類之間的關聯(lián)。如果一個類中定義了內(nèi)部類，那編譯器將會為它以及它所包含的內(nèi)部類生成InnerClasses屬性。

（8）Deprecated及Synthetic屬性

　　Deprecated和Synthetic兩個屬性都屬于標志類型的布爾屬性，只存在有和沒有的區(qū)別，沒有屬性值的概念。Deprecated屬性用于表示某個類、字段或者方法，已經(jīng)被程序作者定為不再推薦使用，它可以通過在代碼中使用@deprecated注釋進行設置。Synthetic屬性代表此字段或者方法并不是由Java源碼直接產(chǎn)生的，而是由編譯器自行添加的，在JDK 1.5之后，標識一個類、字段或者方法是編譯器自動產(chǎn)生的，也可以設置它們訪問標志中的ACC_SYNTHETIC標志位，其中最典型的例子就是Bridge Method。所有由非用戶代碼產(chǎn)生的類、方法及字段都應當至少設置Synthetic屬性和ACC_SYNTHETIC標志位中的一項，唯一的例外是實例構造器“<init>”方法和類構造器“<clinit>”方法。

（9）StackMapTable屬性

　　StackMapTable屬性在JDK 1.6發(fā)布后增加到了Class文件規(guī)范中，它是一個復雜的變長屬性，位于Code屬性的屬性表中。這個屬性會在虛擬機類加載的字節(jié)碼驗證階段被新類型檢查驗證器（Type Checker）使用（見7.3.2節(jié)），目的在于代替以前比較消耗性能的基于數(shù)據(jù)流分析的類型推導驗證器。

（10）Signature屬性

　　Signature屬性在JDK 1.5發(fā)布后增加到了Class文件規(guī)范之中，它是一個可選的定長屬性，可以出現(xiàn)于類、屬性表和方法表結構的屬性表中。在JDK 1.5中大幅增強了Java語言的語法，在此之后，任何類、接口、初始化方法或成員的泛型簽名如果包含了類型變量（Type Variables）或參數(shù)化類型（Parameterized Types），則Signature屬性會為它記錄泛型簽名信息。

　　之所以要專門使用這樣一個屬性去記錄泛型類型，是因為Java語言的泛型采用的是擦除法實現(xiàn)的偽泛型，在字節(jié)碼（Code屬性）中，泛型信息編譯（類型變量、參數(shù)化類型）之后都通通被擦除掉。使用擦除法的好處是實現(xiàn)簡單（主要修改Javac編譯器，虛擬機內(nèi)部只做了很少的改動）、非常容易實現(xiàn)Backport，運行期也能夠節(jié)省一些類型所占的內(nèi)存空間。但壞處是運行期就無法像C#等有真泛型支持的語言那樣，將泛型類型與用戶定義的普通類型同等對待，例如運行期做反射時無法獲得到泛型信息。Signature屬性就是為了彌補這個缺陷而增設的，現(xiàn)在Java的反射API能夠獲取泛型類型，最終的數(shù)據(jù)來源也就是這個屬性。

（11）BootstrapMethods屬性

　　在JDK 1.7發(fā)布后增加到了Class文件規(guī)范之中，它是一個復雜的變長屬性，位于類文件的屬性表中。這個屬性用于保存invokedynamic指令引用的引導方法限定符?！禞ava虛擬機規(guī)范（Java SE 7版）》規(guī)定，如果某個類文件結構的常量池中曾經(jīng)出現(xiàn)過
CONSTANT_InvokeDynamic_info類型的常量，那么這個類文件的屬性表中必須存在一個明確的BootstrapMethods屬性，另外，即使CONSTANT_InvokeDynamic_info類型的常量在常量池中出現(xiàn)過多次，類文件的屬性表中最多也只能有一個BootstrapMethods屬性。BootstrapMethods屬性與JSR-292中的InvokeDynamic指令和java.lang.Invoke包關系非常密切，要介紹這個屬性的作用，必須先弄清楚InovkeDynamic指令的運作原理，筆者將在第8章專門用1節(jié)篇幅去介紹它們，在此先暫時略過。

　　目前的Javac暫時無法生成InvokeDynamic指令和BootstrapMethods屬性，必須通過一些非常規(guī)的手段才能使用到它們。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-649266.html

到了這里，關于《深入理解Java虛擬機》讀書筆記：Class類文件的結構的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！