Java虚拟机——Class类文件结构

Class文件格式采用一种类似C语言结构体的结构来存储数据，这种数据结构只有两种数据类型：无符号数和表。
      无符号数属于基本的数据类型，数据项的不同长度分别用u1, u2, u4, u8表示， 分别表示一种数据项在class文件中占据一个字节， 两个字节， 4个字节和8个字节。
      表是由多个无符号数或其他表作为数据项构成的复合数据类型，所有表习惯的以“_info”作为结尾，可以说，整个Class文件就是一个表结构！

下表列出了Class文件中各个数据项的具体含义：

类型	名称	数量
u4	magic	1
u2	minor_version	1
u2	major_version	1
u2	constant_pool_count	1
cp_info	constant_pool	constant_pool_count - 1
u2	access_flags	1
u2	this_class	1
u2	super_class	1
u2	interfaces_count	1
u2	interfaces	interfaces_count
u2	fields_count	1
field_info	fields	fields_count
u2	methods_count	1
method_info	methods	methods_count
u2	attribute_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

魔数与Class文件的版本号

magic
      在class文件开头的四个字节， 存放着class文件的魔数， 这个魔数是class文件的标志，他是一个固定的值： 0XCAFEBABE 。 也就是说他是判断一个文件是不是class格式的文件的标准， 如果开头四个字节不是0XCAFEBABE， 那么就说明它不是class文件， 不能被JVM识别。

minor_version 和 major_version
      紧接着魔数的四个字节是class文件的此版本号和主版本号。 随着Java的发展， class文件的格式也会做相应的变动。 版本号标志着class文件在什么时候， 加入或改变了哪些特性。 举例来说， 不同版本的javac编译器编译的class文件， 版本号可能不同， 而不同版本的JVM能识别的class文件的版本号也可能不同， 一般情况下， 高版本的JVM能识别低版本的javac编译器编译的class文件， 而低版本的JVM不能识别高版本的javac编译器编译的class文件。 如果使用低版本的JVM执行高版本的class文件， JVM会抛出java.lang.UnsupportedClassVersionError 。

常量池

在class文件中， 位于版本号后面的就是常量池相关的数据项，常量池可以理解为Class的资源仓库，它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据类型，也是占用Class文件空间最大的数据项目之一。

常量池中主要存放两大类常量：字面量和符号引用。字面量比较接近于Java层面的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。而符号引用总结起来则包括了下面三类常量：

• 类和接口的全限定名（即带有包名的Class名，如：org.lxh.test.TestClass）
• 字段的名称和描述符（private、static等描述符）
• 方法的名称和描述符（private、static等描述符）

虚拟机在加载Class文件时才会进行动态连接，也就是说，Class文件中不会保存各个方法和字段的最终内存布局信息，因此，这些字段和方法的符号引用不经过转换是无法直接被虚拟机使用的。当虚拟机运行时，需要从常量池中获得对应的符号引用，再在类加载过程中的解析阶段将其替换为直接引用，并翻译到具体的内存地址中。

访问标志                                                                                          
      在常量池结束之后，紧接着的两个字节代表访问标志（access_flag），access_flags 描述的是当前类（或者接口）的访问修饰符， 如public， private等， 此外， 这里面还存在一个标志位， 标志当前的额这个class描述的是类， 还是接口。access_flags 的信息比较简单， 下面列出access_flags 中的各个标志位的信息。

标志名	标志值	标志含义	针对的对像
ACC_PUBLIC	0x0001	public类型	所有类型
ACC_FINAL	0x0010	final类型	类
ACC_SUPER	0x0020	使用新的invokespecial语义	类和接口
ACC_INTERFACE	0x0200	接口类型	接口
ACC_ABSTRACT	0x0400	抽象类型	类和接口
ACC_SYNTHETIC	0x1000	该类不由用户代码生成	所有类型
ACC_ANNOTATION	0x2000	注解类型	注解
ACC_ENUM	0x4000	枚举类型	枚举

类索引、父类索引与接口接口集合

类索引（this_class）和父类索引（super_class）都是一个u2类型的数据，而接口接口集合（interfaces）则是一组u2类型的数据集合，Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系。类索引、父类索引和接口索引集合都按照顺序排列在访问标志之后，类索引和父类索引两个u2类型的索引值表示，它们各自指向一个类型为COMNSTANT_Class_info的类描述符常量，通过该常量中的索引值找到定义在COMNSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串。而接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口，这些被实现的接口将按implements语句（如果这个类本身是个接口，则应当是extend语句）后的接口顺序从左到右排列在接口的索引集合中。

字段表集合

字段表（field_info）用于描述接口或类中声明的变量。字段包括了类级变量或实例级变量，但不包括在方法内声明的变量。字段的名字、数据类型、修饰符等都是无法固定的，只能引用常量池中的常量来描述。下面是字段表的最种格式：

类型	名称	数量
u2	access_flags	1
u2	name_index	1
u2	description_index	1
u2	attributes_count	1
Attribute_info	attributes	attributes_count

其中的access_flags与类中的access_flags非常类似，是表示数据类型的修饰符，如public、static、volatile等。后面的name_index和descriptor_index都是对常量池的引用，分别代表字段的简单名称及字段和方法的描述符，之后紧跟着一个属性表集合用于存储一些额外的信息。

最后需要注意一点：字段表集合中不会列出从父类或接口中继承而来的字段，但有可能列出原本Java代码中不存在的字段。比如在内部类中为了保持对外部类的访问性，会自动添加指向外部类实例的字段。

方法表集合

方法表（method_info）的结构与属性表的结构相同，不过多赘述。方法里的Java代码，经过编译器编译成字节码指令后，存放在方法属性表集合中一个名为“Code”的属性里，关于属性表的项目，同样会在后面详细介绍。

与字段表集合相对应，如果父类方法在子类中没有被覆写，方法表集合中就不会出现来自父类的方法信息。但同样，有可能会出现由编译器自动添加的方法，最典型的便是类构造器“<clinit>”方法和实例构造器“<init>”方法。

在Java语言中，要重载一个方法，除了要与原方法具有相同的简单名称外，还要求必须拥有一个与原方法不同的特征签名，特征签名就是一个方法中各个参数在常量池中的字段符号引用的集合，也就是因为返回值不会包含在特征签名之中，因此Java语言里无法仅仅依靠返回值的不同来对一个已有方法进行重载。

属性表集合

属性表（attribute_info）在前面已经出现过多系，在Class文件、字段表、方法表中都可以携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景专有的信息。

与Class文件中其他的数据项目要求严格的顺序、长度和内容不同，属性表集合的限制稍微宽松了一些，不再要求各个属性表具有严格的顺序，并且只要不与已有的属性名重复，任何人实现的编译器都可以向属性表中写入自己定义的属性信息，但Java虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。

参考

• 《深入理解Java虚拟机》
• http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17675609