深入理解java虚拟机【Java Class类文件结构】

• Z时代
• 2024-01-10
• 分类：综合

Java语言从诞生之时就宣称一次编写，到处运行的跨平台特性，其实现原理是源码文件并没有直接编译成机器指令，而是编译成Java虚拟机可以识别和运行的字节码文件(Class类文件，*.class)，字节码文件是一种平台无关的中间编译结果，字节码文件由java虚拟机读取，解析和执行，java虚拟机屏蔽了不同操作系统和硬件平台的差异性。

如今的java虚拟机已经称为一种通用平台，不但能够运行java语言，Groovy，JRuby，Jython等一大批动态语言也可以直接在Java虚拟机上运行，其原理也是这些动态语言的编译器将源码文件编译为和Java相同的字节码文件，这样Java虚拟机就可以像执行java语言一样执行这些动态语言了。

字节码class类文件是由一系列字节码命令组成，用于表示程序中各种常量、变量、关键字和运算符号的语义等等。Java的Class类文件是一组以8为字节为单位的二进制流，各个数据项严格按照顺序紧凑地排列在Class类文件之中，中间没有添加任何分隔符，当遇到需要占用8位字节以上空间的数据项时，按照高位在前的方式分割成若干个8位字节进行存储。

Java虚拟机规定，Class类文件格式采用类似C语言结构体的伪结构来存储，这种伪结构中只有两种数据类型：无符号数和表：

(1).无符号数：

属于基本类型的数据，以u1, u2, u4, u8来分别代表1个字节，2个字节，4个字节和8个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码的字符串值。

(2).表：

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，所以表都习惯性地以“_info“结尾。表用于描述有层次关系的复合结构数据，整个Class文件本质就是一张表。

Java Class类文件结构如下：

Class类文件没有任何分隔符，是严格按照这个结构表顺序排列，下面具体介绍各个名称含义：

(1).magic：

每个Class文件的头4个字节被称为魔数，它的唯一作用是用于确定这个文件是否为一个能被java虚拟机所接收的Class类文件，即用于判定文件是否是符合规范的java Class文件。虽然说后缀名“.class”可以表明文件是一个Class文件，但是文件后缀名是可以随意被改动的，基于安全的考虑，很多文件都通过魔数值来唯一确定文件类型，java的Class文件魔数是：0xCAFEBABE.

(2).minor_version和major_version：

每个Class文件的第5和第6个字节代表Class文件的次版本号，第7和第8个字节代表Class文件的主版本号。

Class文件的主、次版本号是由JDK决定的，JDK1.0~JDK1.1使用了45.0~45.3的版本号(45是主版本好，点”.“之后的是次版本号)，从JDK1.1开始，每个大版本的JDK主版本号加1.

Class主、次版本号的一个作用时，高版本的Java虚拟机可以向前兼容，运行低版本JDK编译的Class字节码文件，而低版本的java虚拟机不能运行高版本JDK编译的Class字节码文件。当低版本的java虚拟机运行高版本JDK编译的Class字节码文件时，通常会报类似如下的异常：

[java] view plaincopy

1. Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedClassVersionError: a (Unsupporte  
2. d major.minor version 49.0)  

JDK1.0~JDK1.1使用了45.0~45.3的版本号，JDK1.2使用了46.0~46.65535的版本号，JDK1.3使用了47.0~47.65535的版本号，JDK1.4使用了48.0~48.65535的版本号，JDK1.5使用了49.0~49.65535的版本号，JDK1.6使用了50.0~50.65535的版本号，JDK1.7使用51.0~51.65535的版本号。

在编译时可以通过指定-target参数来改变主版本号，如JDK1.6编译时如果没有给定target参数，则编译出来的Class文件的主版本号是50，如果给定”-target 1.4 -source 1.4”参数之后，则主版本将变为48，如果给定”-target 1.5 ”参数之后，则主版本将变为49。

(3). constant_pool_count和constant_pool：

constant_pool_count代表Class文件中常量池的数目，由于常量池的计数从1开始，因此常量池的容量是constant_pool_count-1。

第0项常量空出做特殊考虑，为了满足一些指向常量池的索引值在某些特定情况下需要表达“不指向任何一个常量池”的意思。

constant_pool常量池是Class类文件中出现的第一个表类型数据，常量池主要存放两大类常量：

a.字面量(Literal)：包括文本字符串、final类型常量值。

b.符号引用(SymbolicReferences)：包括类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方 法的名称和描述符。

(4). access_flags：

用于表示Class或接口层次的访问标志，即类或接口层面的访问控制信息，通常存储的信息包括：Class类文件是类、接口、枚举或是注解；是否定义为public类型；是否定义为abstract类型；类是否被定义为final等等。

(5). this_class、super_class和interfaces：

this_class类索引用于确定类的全限定名，super_class父类索引用于确定父类的全限定名，interfaces接口索引用于确定接口的全限定名，由于java中可以实现多个接口，因此使用interfaces_count来存储接口数量。

(6). field:

field_info字段表用于描述接口或者类中声明的变量，field字段包括了类级变量(静态变量)和实例级变量(成员变量)，但不包括方法内部的局部变量。

fields_count字段数目表示Class文件中的类和实例变量总数，字段存放的信息包括：字段访问标志、是否静态、是否final、是否并发可见volatile、是否可序列化transient、数据类型、字段名称等等。

注意：字段表中不包含从父类或者接口中继承而来的字段，但是会添加原本代码中不存在的字段，例如this，以及内部类对外部类访问而自动添加的外部类实例字段等。

(7).method：

method_info方法表用于描述类或者接口中声明的方法，methods_count用于表示Class文件中方法总数，method方法存储了方法的访问标识、是否静态、是否final、是否同步synchronized、是否本地方法native、是否抽象方法abstract、方法返回值类型、方法名称、方法参数列表等信息。

方法的代码指令并没有直接存放在方法表中，而是存放着属性表中的方法表Code中。

注意：如果父类的方法在子类没有被重写，方法表中不会出现来自父类的方法信息，但是编译器会自动添加类构造器”<clinit>”方法和实例构造器”<init>”方法。

Java编译器的方法特征签名只包括：方法名称、参数顺序和参数类型，不包括方法返回值类型，因此java的方法重载不能通过方法的返回值类区别，但是在Class文件中，方法特征签名包括方法的返回值类型，因此Class文件中可以共存两个名称和参数完全相同而返回值类型不同的方法。

(8). attribute:

attribute_info属性表是Class文件格式中最具扩展性的一种数据项目，用于存放field_info字段表、method_info方法表以及Class文件的专有信息，属性表不要求各个属性有严格顺序，只要求不与已有的属性名字重复即可，属性表中存放的常用信息如下：

Class文件是二进制文件，使用支持二进制的文本编辑器打开之后显示的全是二进制数据，非常的不便于阅读和理解，使用JDK提供的javap工具可以简单将Class反编译，编译理解Class文件的结构，例子如下：

源码：

[java] view plaincopy

1. public class Test {    
2.     public int getNum(int i) {    
3.         return i + 1;    
4.     }    
5. }    

javap反编译之后的字节码文件：

[java] view plaincopy

1. public class Test extends java.lang.Object    
2.   SourceFile: "Test.java"    
3.   minor version: 0    
4.   major version: 50    
5. //常量池  
6.  Constant pool:    
7. const #1 = class        #2;       
8. const #2 = Asciz        Test;    
9. const #3 = class        #4;       
10. const #4 = Asciz        java/lang/Object;    
11. const #5 = Asciz        <init>;  //实例构造器  
12. const #6 = Asciz        ()V;  //void返回类型  
13. const #7 = Asciz        Code;  //属性表Code属性  
14. const #8 = Method       #3.#9;  //方法特征签名  java/lang/Object."<init>":()V    
15. const #9 = NameAndType  #5:#6;//  方法名称和返回值"<init>":()V    
16. const #10 = Asciz       LineNumberTable;  //属性表源码行号和字节码指令对应表  
17. const #11 = Asciz       LocalVariableTable;  //属性表方法局部变量表  
18. const #12 = Asciz       this;  //Test类实例对象本身  
19. const #13 = Asciz       LTest;;  //对象类型，Test类  
20. const #14 = Asciz       getNum;  //方法名称  
21. const #15 = Asciz       (I)I;  //方法参数列表为一个int类型和返回值为int类型  
22. const #16 = Asciz       i;  //参数名称i  
23. const #17 = Asciz       I;  //参数类型int  
24. const #18 = Asciz       SourceFile;    
25. const #19 = Asciz       Test.java;    
26.  //方法表  
27. {    
28. //构造函数(默认构造方法)  
29. public Test();    
30.   Code:  //属性表Code属性  
31.    Stack=1, Locals=1, Args_size=1    
32.    0:   aload_0    
33.    1:   invokespecial   #8; //Method java/lang/Object."<init>":()V    
34.    4:   return    
35.   LineNumberTable:    
36.    line 2: 0    
37.     
38.   LocalVariableTable:  //属性表方法局部变量表  
39.    Start  Length  Slot  Name   Signature    
40.    0      5      0    this       LTest;    
41.     
42. //自定义方法  
43. public int getNum(int);    
44.   Code:    
45.    Stack=2, Locals=2, Args_size=2    
46.    0:   iload_1    
47.    1:   iconst_1    
48.    2:   iadd    
49.    3:   ireturn    
50.   LineNumberTable:    
51.    line 4: 0    
52.     
53.   LocalVariableTable:    
54.    Start  Length  Slot  Name   Signature    
55.    0      4      0    this       LTest;    
56.    0      4      1    i       I    
57. }    

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