Java Class文件详解

2023-01-15 07:47:43

作者：禅楼望月（http://www.cnblogs.com/yaoyinglong）

Java Class文件中包含以下信息：

[+]view code

ClassFile {

u4 magic;                                                                              //模数
u2 minor_version;                                                            //次版本号
u2 major_version;                                                            //主版本号
u2 constant_pool_count;                                                 //常量池大小
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];   //常量池
u2 access_flags;                                                                  //类和接口层次的访问标志（通过|运算得到）
u2 this_class;                                                                       //类索引（指向常量池中的类常量）
u2 super_class;                                                                  //父类索引（指向常量池中的类常量）
u2 interfaces_count;                                                        //接口索引计数器
u2 interfaces[interfaces_count];                                 //接口索引集合
u2 fields_count;                                                                 //字段数量计数器
field_info fields[fields_count];                                     //字段表集合
u2 methods_count;                                                          //方法数量计数器
method_info methods[methods_count];                 //方法表集合
u2 attributes_count;                                                         //属性个数
attribute_info attributes[attributes_count];            //属性表

}

1. 通过实例来看

[+]view code

public interface InterA {

void interA();

}

public interface InterB {

String interB(int i);

}

public interface InterC {

void interC();

}

public class Base implements InterA {

private int baseInt;

protected String baseString;

public int getBaseInt() {

return baseInt;

}

public void setBaseInt(int baseInt) {

this.baseInt = baseInt;

}

@Override

public void interA() {

System.out.println("the interA in Base");

}

public class Sub extends Base implements InterB, InterC {

private int subInt;

private static String subString;

private static Object subObject;

public int getSubInt() {

return subInt;

}

public void setSubInt(int subInt) {

this.subInt = subInt;

}

public static String getSubString() {

return subString;

}

public static void setSubString(String subString) {

Sub.subString = subString;

}

public static Object getSubObject() {

return subObject;

}

public static void setSubObject(Object subObject) {

Sub.subObject = subObject;

}

@Override

public void interC() {

System.out.println("the interC in Sub");

}

@Override

public String interB(int i) {

return "the interB in Sub";

}

我们使用WinHex查看Sub类的.class文件：

2. 魔数

作用：确定该文件是否是虚拟机可接受的class文件。java的魔数统一为 0xCAFEBABE (来源于一款咖啡)。

区域：文件第0~3字节。

3. 版本号

作用：表示class文件的版本，由minorversion和majorversion组成。

区域：文件第4~7字节。
如

51代表，jdk为1.7.0

需要注意的是java版本号是从45开始的，大版本发布，主版本号+1.高版本的jdk能向下兼容以前版本的class文件，但不兼容以后版本的class文件。

4. 常量池

常量池的大小是不固定的，根据你的类中的常量的多少而定，所以在常量池的入口，放置了一个u2类型的表示常量池中常量个数的常量池容量计数器。计数器从1开始，第0位有特殊含义，表示指向常量池的索引值数据不引用任何一个常量池项目。池中的数据项就像数组一样是通过索引访问的。

我们可以清楚的看到，我们常量池中有63-1=62个常量。这些常量是什么呢？

要存放字面量Literal和符号引用Symbolic References。

字面量可能是文本字符串，或final的常量值。
符号引用包括以下：

类或接口全限定名 Full Qualified Name
字段名称和描述符 Descriptor
方法名称和描述符

我们使用反编译工具查看一下：

[+]view code

E:\program\JVM\bin\com\gissky\clazz>javap -v Sub.class
Classfile /E:/program/JVM/bin/com/gissky/clazz/Sub.class
Last modified 2015-2-22; size 1363 bytes
MD5 checksum 2dc77c79e4790422407eb7092085883c
Compiled from "Sub.java"
public class com.gissky.clazz.Sub extends com.gissky.clazz.Base implements com.gissky.clazz.InterB,com.gissky.clazz.InterC
SourceFile: "Sub.java"
minor version: 0
major version: 51
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Class              #2             // com/gissky/clazz/Sub    →类和接口的全限定名
   #2 = Utf8               com/gissky/clazz/Sub
   #3 = Class              #4             // com/gissky/clazz/Base
   #4 = Utf8               com/gissky/clazz/Base
   #5 = Class              #6             // com/gissky/clazz/InterB
   #6 = Utf8               com/gissky/clazz/InterB
   #7 = Class              #8             // com/gissky/clazz/InterC
   #8 = Utf8               com/gissky/clazz/InterC
   #9 = Utf8               subInt
#10 = Utf8              I
#11 = Utf8              subString
#12 = Utf8               Ljava/lang/String;
#13 = Utf8               subObject
#14 = Utf8               Ljava/lang/Object;
#15 = Utf8               <init>
#16 = Utf8               ()V
#17 = Utf8               Code
#18 = Methodref          #3.#19         // com/gissky/clazz/Base."<init>":()V
#19 = NameAndType        #15:#16        // "<init>":()V
#20 = Utf8               LineNumberTable
#21 = Utf8               LocalVariableTable
#22 = Utf8               this
#23 = Utf8               Lcom/gissky/clazz/Sub;
#24 = Utf8               getSubInt
#25 = Utf8               ()I
#26 = Fieldref           #1.#27         // com/gissky/clazz/Sub.subInt:I         → 类中字段的符号引用
#27 = NameAndType        #9:#10         // subInt:I                                           → 类中字段的部分符号引用之名称和类型
#28 = Utf8               setSubInt
#29 = Utf8               (I)V
#30 = Utf8               getSubString
#31 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
#32 = Fieldref           #1.#33         // com/gissky/clazz/Sub.subString:Ljava/lang/String;
#33 = NameAndType        #11:#12        // subString:Ljava/lang/String;
#34 = Utf8               setSubString
#35 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
#36 = Utf8               getSubObject
#37 = Utf8               ()Ljava/lang/Object;
#38 = Fieldref           #1.#39         // com/gissky/clazz/Sub.subObject:Ljava/lang/Object;
#39 = NameAndType        #13:#14        // subObject:Ljava/lang/Object;
#40 = Utf8               setSubObject
#41 = Utf8               (Ljava/lang/Object;)V
#42 = Utf8               interC
#43 = Fieldref           #44.#46        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#44 = Class              #45            // java/lang/System
#45 = Utf8               java/lang/System
#46 = NameAndType        #47:#48        // out:Ljava/io/PrintStream;
#47 = Utf8               out
#48 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
#49 = String             #50            // the interC in Sub
#50 = Utf8               the interC in Sub
#51 = Methodref          #52.#54        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
#52 = Class              #53            // java/io/PrintStream
#53 = Utf8               java/io/PrintStream
#54 = NameAndType        #55:#35        // println:(Ljava/lang/String;)V
#55 = Utf8               println
#56 = Utf8               interB
#57 = Utf8               (I)Ljava/lang/String;
#58 = String             #59            // the interB in Sub                                    →方法中用到的String常量
#59 = Utf8               the interB in Sub
#60 = Utf8               i
#61 = Utf8               SourceFile
#62 = Utf8               Sub.java

常量池中的项目类型如下：

CONSTANT_Utf8_info tag标志位为1, UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info tag标志位为3，整形字面量
CONSTANT_Float_info tag标志位为4，浮点型字面量
CONSTANT_Long_info tag标志位为5，长整形字面量
CONSTANT_Double_info tag标志位为6，双精度字面量
CONSTANT_Class_info tag标志位为7，类或接口的符号引用
CONSTANT_String_info tag标志位为8，字符串类型的字面量
CONSTANT_Fieldref_info tag标志位为9, 字段的符号引用
CONSTANT_Methodref_info tag标志位为10，类中方法的符号引用
CONSTANT_InterfaceMethodref_info tag标志位为11, 接口中方法的符号引用
CONSTANT_NameAndType_info tag 标志位为12，字段和方法的名称以及类型的符号引用

5. 类或接口访问标志

表示类或者接口方面的访问信息，比如Class表示的是类还是接口，是否为public、static、final等。，下面我们就来看看TestClass的访问标示。Class的访问标志值为0x0021：

根据前面说的各种访问标示的标志位，我们可以知道：0x0021=0x0001|0x0020 也即ACC_PUBLIC 和 ACC_SUPER为真，其中ACC_PUBLIC大家好理解，ACC_SUPER是jdk1.2之后编译的类都会带有的标志。

6. 类索引、父类索引与接口索引集合

Class文件中由这3项数据来确定类的继承关系。

类索引和父类索引都是指向常量池中的常量索引：

紧接着后面是一个接口的计数器和接口描述符：

7. 字段表集合

作用：描述接口或者类中声明的类变量以及实例变量，不包括方法中的局部变量。

紧接着接口索引集合之后的2字节是字段计数器：

表示我们类中有3个字段，这里便是subInt、subString、subObject 3个字段。紧接其后的是字段表，字段表结构为：

[+]view code

field_info
{
    u2                               access_flags;
    u2                               name_index;
    u2                               descriptor_index;
    u2                               attributes_count;
    attribute_info          attributes[attributes_count];
}

access_flags项的值是用于定义字段被访问权限和基础属性的掩码标志。取值范围如下表：

描述符标识字符含义：

V 表示特殊类型void。

对于数组类型，每一个维度将使用一个前置的”["字符来描述，如一个定义的"java.lang.String[][]“类型的二维数组，将被记录为:”[[Ljava/lang/String;",一个整型数组"int[]“将被记录为”[I"

父类中的字段不会出现在子类的字段表中。

8. 方法表集合

字段表集合结束后便是方法表集合。

作用：描述该类中的方法。

和字段表一样，使用一个u2类型的方法计数器，记录该类中方法的个数。

表示我们的类中有9个方法。

方法表的结构如下图所示

其中name_index和descriptor_index表示的是方法的名称和描述符，他们分别是指向常量池的索引。这里需要结解释一下方法的描述符，方法的描述符的结构为：（参数列表）返回值，比如public int instanceMethod(int param)的描述符为：（I）I，表示带有一个int类型参数且返回值也为int类型的方法，方法java.lang.String.toString()的描述符为"()Ljava/lang/String;"，int IndexOf(char[] source,int sourceOffset,int sourceCount,char[] target int targetOffset,int targetCount,int fromIndex) 表示为([CII[CII)I。接下来就是属性数量以及属性表了，方法表和字段表虽然都有属性数量和属性表，但是他们里面所包含的属性是不同。

如果父类方法在子类中没有被重写（@Override），方法表中就不会出现来自父类的方法信息。

9. 属性表集合

上面的方法表中我们就看到<init>方法有一个Code的属性。在本节我们将阐述这些属性：

Code属性：

该属性里主要存放由javac编译器处理后得到的字节码指令。

其中attribute_name_index指向常量池中值为Code的常量，attribute_length的长度表示Code属性表的长度（这里需要注意的时候长度不包括attribute_name_index和attribute_length的6个字节的长度）。

max_stack表示最大栈深度，虚拟机在运行时根据这个值来分配栈帧中操作数的深度，而max_locals代表了局部变量表所需的存储空间。

max_locals的单位为slot，slot是虚拟机为局部变量分配内存的最小单元，在运行时，对于不超过32位类型的数据类型，比如 byte,char,int等占用1个slot，而double和Long这种64位的数据类型则需要分配2个slot，另外max_locals的值并不是所有局部变量所需要的内存数量之和，因为slot是可以重用的，当局部变量超过了它的作用域以后，局部变量所占用的slot就会被重用。方法参数、显示异常处理器的参数、方法体中定义的局部变量都要使用局部变量表来存放。

code_length代表了字节码指令的数量，而code表示的是字节码指令，从上图可以知道code的类型为u1,一个u1类型的取值为0x00-0xFF,对应的十进制为0-255，目前虚拟机规范已经定义了200多条指令。

exception_table_length以及exception_table分别代表方法对应的异常信息。

attributes_count和attribute_info分别表示了Code属性中的属性数量和属性表，从这里可以看出Class的文件结构中，属性表是很灵活的，它可以存在于Class文件，方法表，字段表以及Code属性中。

修改一下Sub中的InterB方法：

[+]view code

@Override

public int interB(int i){

int x=0;

try{

x+=i;

return x;

}catch(Exception e){

x=-1;

return x;

}finally{

x=3;

}

大家不妨先猜一下这个函数的结果是什么？假如在try块中发生异常，结构又是什么？我相信对Java语言熟悉的朋友，肯定知道答案。

使用反编译工具查看：

[+]view code

public int interB(int);

flags: ACC_PUBLIC

Code:

stack=2, locals=6, args_size=2

0: iconst_0

1: istore_2

2: iload_2

3: iload_1

4: iadd

5: istore_2

6: iload_2

7: istore 5

9: iconst_3

10: istore_2

11: iload 5

13: ireturn

14: astore_3

15: iconst_m1

16: istore_2

17: iload_2

18: istore 5

20: iconst_3

21: istore_2

22: iload 5

24: ireturn

25: astore 4

27: iconst_3

28: istore_2

29: aload 4

31: athrow

Exception table:

from to target type

2 9 14 Class java/lang/Exception

2 9 25 any

14 20 25 any

LineNumberTable:

line 35: 0

line 37: 2

line 38: 6

line 43: 9

line 38: 11

line 39: 14

line 40: 15

line 41: 17

line 43: 20

line 41: 22

line 42: 25

line 43: 27

line 44: 29

LocalVariableTable:

Start Length Slot Name Signature

0 32 0 this Lcom/gissky/clazz/Sub;

0 32 1 i I

2 30 2 x I

15 10 3 e Ljava/lang/Exception;

StackMapTable: number_of_entries = 2

frame_type = 255 /* full_frame */

offset_delta = 14

locals = [ class com/gissky/clazz/Sub, int, int ]

stack = [ class java/lang/Exception ]

frame_type = 74 /* same_locals_1_stack_item */

stack = [ class java/lang/Throwable ]

}

从 args_size=2这条反编译代码，我们可以知道，在public int interB(int i)这个方法中有6个局部变量，2个参数，可是我们的函数中明明只有一个参数么……这是因为编译器会为每一个实例函数包括构造器添加一个参数this，在JVM调用该方法的时候会该形参传递一个实参—方法所在对象的自身。

Exception table:

from to target type

2 9 14 Class java/lang/Exception

2 9 25 any

14 20 25 any

上表表头表示，当字节码在form行到to行（不包括to行）出现类型为type的异常，则转到第target行继续处理。

从方法的异常表中，我们可以看到这个函数有3条执行路径：

这里我们插入阐述一下LineNumberTable表的含义：它表示Java源码行号与字节码行号之间的对应关系。