JVM-Class文件

　　一个 Class 文件描述了类或接口的字段，方法，父类，访问权限等全部信息。其实，它只是一种能被 JVM 识别的数据格式，就和 UDP 8字节头部一样，这就是规范，标准！所谓“不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之，学至于行而止矣，行之，明也”。本文最后将动手分析一个 Class 文件的字节和反编译后的伪汇编语言，来探讨其结构。

　　本文将介绍：

• Class 头部信息
• Class 常量池信息
• Class 父类，访问权限和接口信息
• Class 字段及其属性
• Class 方法及其属性
• 其他属性和实例描述

　　Class 文件是以 8-bit 为单位的字节流，并且多字节数据以 big-endian 排列（又称为网络序，高位在前，符合我们的直觉，如日常使用的十进制）。注意使用 javac –g 编译源码，-g 表示生成所有的调试信息，javap –p –v 显示全部的伪汇编语言。根据 JVM 规范，ClassFile 格式如下：

1. Class 头部信息

　　对于定长的字段，比较好解析，麻烦的是变长的字段，需要根据不同类型，提取不同长度的字节进行解析，比如常量池中的信息，不同字段的结构解析方式不同。前三个字段还是比较好解析的，前4个字节为魔数 magic=0xcafebabe，2字节的从版本号 minor=0x0000，2字节的主版本号 major=0x0034=3*16+4=52，如下：

2. Class 常量池信息

　　JVM 执行时，不依赖类，实例或接口在内存是怎么布局的，而是依赖运行时常量池，基于栈来执行指令。常量池中包含字面量和符号引用，字面量就是字符串常量和数值常量；符号引用就是用来描述类或接口、字段名和其描述符、方法名和其描述符。根据 ClassFile 的结构，可以看到 2 字节表示常量池大小，后面 cp_info 是具体内容，而 cp_info不同类型的大小不同，常量池中的类型如下：

类型	标志	大小（字节）	描述
CONSTANT_Utf8_info	0x01	3+len	字符串，数值常量，类全限定名，方法名，字段名，属性名等字面量
CONSTANT_String_info	0x08	3	字符串类型符号引用，引用 utf8 表示的字面量
CONSTANT_Class	0x07	3	类或接口的符号引用
CONSTANT_NameAndType	0x0c	5	字段或方法的符号引用，但没有指明是哪个类或接口的方法
CONSTANT_Fieldref	0x09	5	字段的符号引用，表明所属类，和字段名
CONSTANT_Methodref	0x0a	5	方法的符号引用，表明所属类，和方法名
CONSTANT_InterfaceMethodref	0x0b	5	接口中方法的符号引用，表明所属接口，和方法名
CONSTANT_Integer	0x03	5	整型字面量
CONSTANT_Float	0x04	5	浮点型字面量
CONSTANT_Long	0x05	6	长整型字面量
CONSTANT_Double	0x06	6	双精度浮点型字面量
CONSTANT_MethodHandle	0x0f	4	表示方法句柄
CONSTANT_MethodType	0x10	3	表示方法类型
CONSTANT_InvokeDynamic	0x12	5	动态调用

　　为了方便阅读，上表没有给出具体的结构，可查看 JVM规范 (§4)。知道了常量池中类型的大小，就可以进行解析了，下图是常量池的部分字节：

　　其中，连续的，颜色相同的框表示一个类型的信息。常量池元素总数为【00 22】= 34个，JVM 会对常量池中解析的类型从 1 进行编号，比如【0a 00 06 00 14】标识为10，查询上表，可知此字段为方法的符号引用，大小为5字节，其内容为【#1 = Methodref  #6.#20】 后面引用所属类和方法描述。其他字段也是如此，如果需要引用到常量池中的其他内容解析出编号即可。再看一个常量字符串的序列【01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e】01表明是utf8字符串字面量，【00 06】表示长度为6，后面6位转为字符串就是<init>，这是类实例化时调用的方法。就这样一次进行 33 次，就可以得到整个常量池的信息。

　　在常量池中，类，字段和方法描述符：

类和接口名，使用全限定名称	把 点. 换成 /，比如 java.lang.Object 全限定名：java/lang/Object
方法，字段，局部变量名，使用非全限定名称	当前类的相对名称，比如 Demo
字段描述符	描述字段类型
B，C，D，F，I，[	分别对应 byte，char，double，float，int，数组类型
J，S，Z，V，L class_name	分别对应 long，short，boolean，void，class_name对象类型
方法描述符，描述参数和返回值类型	( {ParameterDescriptor} ) ReturnDescriptor
()V	Object m(int i, double d, Thread t) {...}
无参返回值为空	(IDLjava/lang/Thread;)Ljava/lang/Object;

3. Class 父类，访问权限和接口信息

　　根据ClassFIle的结构，接下来是 2 字节的 access_flags，【access_flags】表示类或接口的访问权限，具体的标志位如下表：

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	声明为 public
ACC_FINAL	0x0010	声明为 final，不能被继承
ACC_SUPER	0x0020	表明使用 invokespecial 调用父类方法
ACC_INTERFACE	0x0200	声明为 接口
ACC_ABSTRACT	0x0400	声明为抽象类，不能实例化
ACC_SYNTHETIC	0x1000	动态生成的代码，不是用户由编写的
ACC_ANNOTATION	0x2000	声明 注解
ACC_ENUM	0x4000	声明 枚举

access_flags使用 2 个字节表示，由上图可知为 0x0021，转换成二进制 【0000 0000 0020 0001】，查上表可得此类为 ACC_PUBLIC，ACC_SUPER。

　　接下来就是当前类索引，父类索引和接口索引描述，其中当前类和父类描述都是通过 2 个字节，2 字节的 this_class，2 字节的 super_class。这里this_calss是 #5 表示引用常量池中第5个常量，从常量池中可以看到就是当前的Demo类；super_class是 #6 ，查常量池可知，#6 代表java.lang.Object对象，这说明了，Object是Java中所有类的直接或间接父类。

　　如果类实现了接口，那么接口的信息会在接下来的字节表示出来，这里没有实现接口，字节全为 0。如果实现接口的话，首先 2 个字节表示接口的个数，接下来就是具体内容，每个接口信息占 2 个字节，并引用常量池中的Class类型的元素，并按照源代码中实现的顺序排列。

4. Class 字段及其属性

　　类字段信息主要有，访问控制和字段类型。下表是字段的访问控制说明：

字段访问标志	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	声明为 public
ACC_PRIVATE	0x0002	声明为 private
ACC_PROTECTED	0x0004	表明为 protected
ACC_STATIC	0x0008	声明为 static
ACC_FINAL	0x0010	声明为 final
ACC_VOLATILE	0x0040	声明为 volatitle
ACC_TRANSIENT	0x0080	声明为 transient 不序列化
ACC_SYNTHETIC	0x1000	表示由编译器生成
ACC_ENUM	0x4000	声明为 enum

　　字段有一个 ConstantValue 属性，只有当字段是 ACC_STATIC 时，此属性才生效，并且长度固定为 2，引用常量池中的 int, short, char, byte, boolean, long, float, double, String 类型字面量。

5. Class 方法及其属性

　　描述了方法的参数及其类型，返回值，字节码，以及最大操作数栈深度，局部变量个数，参数个数，访问控制等信息，首先看一下，方法的访问标志：

方法访问标志	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	声明为 public
ACC_PRIVATE	0x0002	声明为 private
ACC_PROTECTED	0x0004	表明为 protected
ACC_STATIC	0x0008	声明为 static
ACC_FINAL	0x0010	声明为 final，不能重写
ACC_SYNCHRONIZED	0x0020	synchronized，方法由管程同步
ACC_BRIDGE	0x0040	方法由编译器产生
ACC_VARARGS	0x0080	表示方法带有变长参数
ACC_NATIVE	0x4100	非 java 语言的本地方法
ACC_ABSTRACT	0x0400	abstract，方法没有具体实现
ACC_STRICT	0x0800	strictfp，方法使用 FP-strict 浮点格式
ACC_SYNTHETIC	0x1000	方法在源文件中不出现，由编译器产生

　　方法的属性，比较重要，里面具有 JVM 要执行的指令信息。

5.1 Exceptions 描述方法可能抛出的异常

5.2 Code 属性

　　Code 代码属性是最要的属性，描述方法的字节码或辅助信息，如果是本地方法或抽象方法，那么不能拥有此属性。Code 结构如下：

　　Code 的相关属性：

• LocalVariableTable：局部变量表
• LocalVariableTypeTable：也是局部变量表，跟泛型有关
• LineNumberTable：源代码行号与字节码行号对应关系
• StackMapTable：在 JVM 验证类型时使用

6. 其他属性信息

类相关属性：

• InnerClasses：内部类属性
• EnclosingMethod：当类为内部类或局部类是此属性才存在，并且一个类至多有一个
• SourceFile：定长，只能有一个
• SourceDebugExtension：扩展调试信息
• BootstrapMethods：保存 invokedynamic 指令引用的引导方法限定符

方法属性：

• RuntimeVisibleParameterAnnotations：方法参数的注解，可被反射 API 使用
• RuntimeInvisibleParameterAnnotations：不能被反射 API 使用
• MethodParameters：方法参数信息
• AnnotationDefault：元素注解默认值

共有属性：

• Deprecated：表面字段，方法和类将会在后续版本被替换
• Synthetic：源代码未出现的类成员，必须标记成合成属性，并且长度固定为 0
• Signature：描述类，方法或接口的泛型信息
• RuntimeVisibleAnnotations：保存类，字段和方法可见注解，必须保证可被反射使用
• RuntimeInvisibleAnnotations：不能被反射 API 访问
• RuntimeVisibleTypeAnnotations：
• RuntimeInvisibleTypeAnnotations：

7. 实例描述

（1）常量池

（2）方法描述

本文使用的Demo源码和Class文件：Demo.rar