Class文件结构

题外话：

本文参考书籍：《深刻理解Java虚拟机》有兴趣的同窗也能够经过看书了解更多内容。
最近在读这本书，顺便作下知识整理。在了解了class文件结构后能够更好的了解类的加载机制。若是对此内容已经了解的同窗能够移步：类的加载机制。

如需转载请注明出处，class文件的结构 。

java语言的一句口号你们应该都很熟悉："Write once, run anywhere." 那是由于Java虚拟机不与任何语言绑定，它只与“Class文件”这种特定的二进制文件格式所关联。 Java虚拟机也不止支持java一种语言。

图1 Class文件的结构

从上图能够看出多种语言经过编译成*.class文件均可以在JVM上运行。 下面让咱们了解一下class文件的结构。

Class类文件结构

注：（此文以JDK1.4为主线讲解）

首先看一下class文件的基本概念：

class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序节凑的排列在Class文件中，中间没有添加任何分隔符，使得整个Class文件中从存储的内容几乎所有是程序运行时的必要数据，没有任何空隙。当遇到须要占用8位以上空间的数据项时，则会按照高位在前的方式分割为若干个8位字节进行存储。

Class文件结构中只有两种数据类型：1，无符号数。2，表。

1，无符号数：属于基本的数据类型，以u一、u二、u四、u8来分别表明一、二、四、8个字节的无符号数，无符号数能够用来描述数字、索引引用、数量值、或者按照UTF-8编码的字符串值。
2，表：由多个无符号数或者其余表做为数据项构成的复合数据类型，全部表都习惯性的以“info”结尾。Class文件本质上就是一张表。
下面是一张普通class文件的表，咱们能够看下表的大致结构和具体内容都有什么。

图2 Class文件格式

图2中红字标注后面会作具体分析。

一，魔数和Class文件的版本

魔数

每一个Class文件的前4个字节称为魔数（Magic Number），它的惟一做用是肯定这个文件是不是一个能被虚拟机接受的Class文件。使用魔数而不使用扩展名来验证是出于安全考虑，由于扩展名能够随意改变。java语言魔数就是：CAFEBABE（十六进制数）。此 魔数也用于后面类加载中的验证。

Class文件版本

Class第五、6个字节是次版本号，七、8个字节是主版本号。（主版本号就是咱们常说的JDK1.7或1.8，次版本号就是1.7后面的小版本号。）

二，常量池

常量池能够理解为Class文件的资源仓库。 因为常量池中常量的数量是不固定的，因此在常量池入口须要放置一项u2类型的数据，表明常量池容量计数值（constant_pool_count）。常量池索引从1开始。

图3 常量池结构

如上图6-3所示，魔数后是小版本号和大版本号，后面紧跟着就是常量池入口，入口前两个字节表示了常量池中常量的个数。图中都为十六进制数，0x16就是十进制的22，而常量池计数都是从1开始，不是从0开始，因此这里面表示常量池中索引范围是1~21，而非0~21，因此常量池中共有21项常量。
常量池中主要存放两大类常量：1，字面量。2，符号引用。

1，字面量

接近于Java语言层面的常量概念。如：字符串，final常量等。

2，符号引用

属于编译原理方面概念，包括下面三类：

（1）类和接口的全限定名

（2）字段的名称和描述

（3）方法的名称和描述

常量池中每一项常量都是一个表，在JDK1.7以前共有14种结构各不相同的表结构数据，1.7以后又额外增长了3种。 这14种表都有一个共同的特色，就是表开始的第一位是一个u1类型的标志位（tag），表明当前这个常量属于哪一种常量类型。
下面咱们来看下这些表的结构。
上面咱们已经说过第九个字节0x16是常量池入口，也是常量池中常量的数量，那么紧接着就是常量池的第一项常量。请看下图。

图4 常量池结构

tag是标志位，区分常量类型；name_index是一个索引，它指向常量池中一个CONSTANT_Utf8_info类型常量，此常量表明了这个类和接口的全限定名。图4中第一个常量的tag为0x07，咱们查看图5中的表来肯定是哪一种常量类型。

图5 常量池项目类型

从图5中能够看出0x07也就是十进制的7表明的类型是CONSTANT_Class_info，而后咱们在查询图6中CONSTANT_Class_info的表结构。

图6 CONSTANT_Class_info型的常量结构

这里name_index值为0x0002，指向常量池第二项常量。由图4能够看出，第二项常量的tag是0x01，再查询图5可知，第二个常量是一个CONSTANT_Utf 8_info，咱们再来查询CONSTANT_Utf 8_info型常量的结构。见图7。

图7 CONSTANT_Utf8_info型的常量结构

图7中，0x01位tag位，表明CONSTANT_Utf8_info型的常量，0x001D即10进制的29，表明了字符串的长度为29，紧接着后面括号中共29个字节，表明了29个字符，表示了类的全限定名。在图8的右侧你们也能够看一下，类的全限定名被解析出来了，即"org/fenixsoft/clazz/TestClass"，有兴趣能够数一下，我数过了是29个字符。[捂脸]

图8 常量池第二项常量结构

以上是给你们举了一些class文件中常量池结构的例子，以及如何分析那一部分对应常量池中的那些内容，下面就不一一举例了。有兴趣的同窗能够查看一下官方的文档。
图8是常量池中14种常量项结构总表，在JDK1.7以前只有14种，你们能够大概了解一下，常量池就介绍到这里。

图9 常量池中14种常量项结构总表

三，访问标志

常量池紧接着两个字节表明访问标志（access_flags）。 访问标志：类或接口的层次信息，包括：这个Class是类仍是接口；是不是public；是否认义abstract；若是是类的话，是否声明final等。图10表示了访问标志具体表述的全部内容。

图10 访问标志

图11 测试类的访问标志

能够查找图10中的表测试类访问标志为0x21就是图10中ACC_PUBLIC和ACC_SUPER的结合，可见这个TestClass类就是一个普通的public的java类。
这种方式你们能够联想一下linux的权限码，我感受很相似，例如：chmod 755 + 文件名，755中三位数字分表表示文件所属用户的权限、文件所属组的权限、其余用户权限。4表明读权限，2表明写权限，1表明执行权限。755就是赋予文件全部者读、写、执行权限（4 + 2 + 1 = 7），赋予文件全部者的组读、执行的权限（4 + 1 =5），赋予其余用户也是读和执行的权限（4 + 1 = 5）。是否是与这个access_flags很是类似，用不多的字符表示多个属性。

四，类索引、父类索引与接口索引集合

访问标志后接的下来就是类索引和父类索引，类索引和父类索引都是u2类型数据，接口索引集合是一组u2类型的数据集合。Class文件中由这三项数据来肯定类的继承关系。

（1）类索引，类全限定名。

（2）父类全限定名。

（3）实现的接口。入口第一项是接口计数器，即表示索引表的容量。若是没有实现接口，计数器值为0，后面接口索引表就不占用任何字节。

图12 测试类类索引、父类索引、实现的接口

分析图12，能够看出图11后access_flags（0x21）后就是类索引、父类索引、类实现的接口信息。从图12能够分析出，this_class（当前类）指向常量池中第一个常量，super_class（父类）指向常量池中第三项，而interfaces_count（实现的接口数）为0，即这个类没有实现任何接口。咱们再来看常量池图，图13。

图13 常量池图

刚才在常量池的部分已经讲过常量池的第一个常量是CONSTANT_Class_info表明类或接口的符号引用，第一项常量又指向第二项常量CONSTANT_Utf8_info，即当前类的全限定名，因此这个类的this_class就是"org/fenixsoft/clazz/TestClass"，而由图12看出super_class指向常量池中的第三项常量，从图13得出常量池第三项常量（CONSTANT_Class_info）又指向常量池中第四项常量，第四项常量tag为0x01，即CONSTANT_Class_info型，表明了super_class（父类）的全限定名，即"java/lang/Object"，这个TestClass类没有继承任何类，因此父类为Object，图中也标记了this_class和super_class表明的字符串。

五，字段表集合

接下来就是字段表集合。
字段表（field_info）：用于描述接口或者类中声明的变量。
你们能够想一下Java描述字段能够包含哪些信息？
包括信息有：做用域（public、private、protected）、是否static、是否final、是否volatile、是否transient、字段数据类型（基本类型、对象、数组）、字段名称。

图14 字段表结构

图15 字段访问标志（access_flags）

name_index和descriptor_index都是对常量池的引用。 name_index:字段的简单名称。例如：方法inc()和m字段，简单名称就是：inc和m。 descriptor_index:字段和方法的描述符，用来描述字段的数据类型、方法参数列表（包括数量、类型以及顺序）和返回值，见图16。

图16 描述标志符的含义

六，方法表集合

理解了上面的字段表，方法表的结构和字段表相似。

图17 方法表结构

图18 方法访问标志(access_flags)

class文件结构就先说到这里，若有兴趣的同窗能够参考《深刻理解Java虚拟机》和《Java虚拟机规范》。

看完此篇之后更容易理解：类的加载机制，若是有兴趣的同窗能够继续阅读。

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