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紧凑地排列在Class文件之中,中间没有添加任何分隔符,这使得整个Class文件中存储的内容几乎全部是程序运行的必要数据,没有空隙存在。当遇到需要占用8位字节以上空间的数据项时,则会按照高位在前的方式分割成若干个8位字节进行存储。

根据Java虚拟机规范的规定,Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据,这种伪结构中只有两种数据类型:无符号数和表,后面的解析都要以这两种数据类型为基础,所以这里要先介绍这两个概念。

无符号数属于基本的数据类型,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编码构成字符串值。

表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型,所有表都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据,整个Class文件本质上就是一张表,它由表6-1所示的数据项构成。

魔数与Class文件的版本

每个Class文件的头4个字节称为魔数(Magic Number),它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。很多文件存储标准中都使用魔数来进行身份识别,譬如图片格式,如gif或者jpeg等在文件头中都存有魔数。使用魔数而不是扩展名来进行识别主要是基于安全方面的考虑,因为文件扩展名可以随意地改动。文件格式的制定者可以自由地选择魔数值,只要这个魔数值还没有被广泛采用过同时又不会引起混淆即可。Class文件的魔数的获得很有“浪漫气息”,值为:0xCAFEBABE(咖啡宝贝?),这个魔数值在Java还称做“Oak”语言的时候(大约是1991年前后)就已经确定下来了。它还有一段很有趣的历史,据Java开发小组最初的关键成员Patrick Naughton所说:“我们一直在寻找一些好玩的、容易记忆的东西,选择0xCAFEBABE是因为它象征着著名咖啡品牌Peet’s Coffee中深受欢迎的Baristas咖啡”,这个魔数似乎也预示着日后“Java”这个商标名称的出现。

编译下面代码输出Class文件:

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public class TestClass {
    private int m;
    public int inc(){
        return m + 1;
    }
}

vscode安装一个hexdump for VSCode插件,然后打开Class文件。

可以清楚地看见开头4个字节的十六进制表示是0xCAFEBABE,代表次版本号的第5个和第6个字节值为0x0000,而主版本号的值为0x0034。

##常量池

紧接着主次版本号之后的是常量池入口,常量池可以理解为Class文件之中的资源仓库,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,同时它还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目。

由于常量池中常量的数量是不固定的,所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的数据,代表常量池容量计数值(constant_pool_count)。与Java中语言习惯不一样的是,这个容量计数是从1而不是0开始的,如上图所示,常量池容量为十六进制数0x0013,即十进制的19,这就代表常量池中有18项常量,索引值范围为1~18。在Class文件格式规范制定之时,设计者将第0项常量空出来是有特殊考虑的,这样做的目的在于满足后面某些指向常量池的索引值的数据在特定情况下需要表达“不引用任何一个常量池项目”的含义,这种情况就可以把索引值置为0来表示。Class文件结构中只有常量池的容量计数是从1开始,对于其他集合类型,包括接口索引集合、字段表集合、方法表集合等的容量计数都与一般习惯相同,是从0开始的。

常量池中主要存放两大类常量:字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)。字面量比较接近于Java语言层面的常量概念,如文本字符串、声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念,包括了下面三类常量:

  • 类和接口的全限定名(Fully Qualified Name)

  • 字段的名称和描述符(Descriptor)

  • 方法的名称和描述符

Java代码在进行Javac编译的时候,并不像C和C++那样有“连接”这一步骤,而是在虚拟机加载Class文件的时候进行动态连接。也就是说,在Class文件中不会保存各个方法、字段的最终内存布局信息,因此这些字段、方法的符号引用不经过运行期转换的话无法得到真正的内存入口地址,也就无法直接被虚拟机使用。当虚拟机运行时,需要从常量池获得对应的符号引用,再在类创建时或运行时解析、翻译到具体的内存地址之中。

常量池中每一项常量都是一个表,在JDK 1.7之前共有11种结构各不相同的表结构数据,在JDK 1.7中为了更好地支持动态语言调用,又额外增加了3种(CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_MethodType_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info。

这14种表都有一个共同的特点,就是表开始的第一位是一个u1类型的标志位(tag),代表当前这个常量属于哪种常量类型。

常量池的项目类型

之所以说常量池是最烦琐的数据,是因为这14种常量类型各自均有自己的结构。回头看看上图中常量池的第一项常量,它的标志位是0A,查表发现这个常量属于CONSTANT_Methodref_info类型,此类型的常量代表类中方法的符号引用。

常量池中的14种常量项的结构总表

tag是标志位,上面已经讲过了,它用于区分常量类型;

JDK的bin目录中,Oracle公司已经为我们准备好一个专门用于分析Class文件字节码的工具:javap。

代码清单6-2

从代码清单6-2中可以看出,计算机已经帮我们把整个常量池的18项常量都计算了出来,并且第1、2项常量的计算结果与我们手工计算的结果一致。仔细看一下会发现,其中有一些常量似乎从来没有在代码中出现过,如“I”、“V”、“”、“LineNumberTable”、“LocalVariableTable”等,这些看起来在代码任何一处都没有出现过的常量是哪里来的呢?

这部分自动生成的常量的确没有在Java代码里面直接出现过,但它们会被后面即将讲到的字段表(field_info)、方法表(method_info)、属性表(attribute_info)引用到,它们会用来描述一些不方便使用“固定字节”进行表达的内容。譬如描述方法的返回值是什么?有几个参数?每个参数的类型是什么?因为Java中的“类”是无穷无尽的,无法通过简单的无符号字节来描述一个方法用到了什么类,因此在描述方法的这些信息时,需要引用常量表中的符号引用进行表达。这部分内容将在后面进一步阐述。

6.3.3 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_flags),这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息,包括:这个Class是类还是接口;是否定义为public类型;是否定义为abstract类型;如果是类的话,是否被声明为final等。具体的标志位以及标志的含义见表6-7。

表6-7访问标志

6.3.4 类索引、父类索引与接口索引集合

类索引(this_class)和父类索引(super_class)都是一个u2类型的数据,而接口索引集合(interfaces)是一组u2类型的数据的集合,Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系。类索引用于确定这个类的全限定名,父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。由于Java语言不允许多重继承,所以父类索引只有一个,除了java.lang.Object之外,所有的Java类都有父类,因此除了java.lang.Object外,所有Java类的父类索引都不为0。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(如果这个类本身是一个接口,则应当是extends语句)后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。

类索引、父类索引和接口索引集合都按顺序排列在访问标志之后,类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示,它们各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量,通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串。图6-6演示了代码清单6-1的代码的类索引查找过程。

类索引、父类索引和接口索引集合都按顺序排列在访问标志之后,类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示,它们各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量,通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串。图6-6演示了代码清单6-1的代码的类索引查找过程。

6.3.5 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。字段(field)包括类级变量以及实例级变量,但不包括在方法内部声明的局部变量。我们可以想一想在Java中描述一个字段可以包含什么信息?可以包括的信息有:字段的作用域(public、private、protected修饰符)、是实例变量还是类变量(static修饰符)、可变性(final)、并发可见性(volatile修饰符,是否强制从主内存读写)、可否被序列化(transient修饰符)、字段数据类型(基本类型、对象、数组)、字段名称。上述这些信息中,各个修饰符都是布尔值,要么有某个修饰符,要么没有,很适合使用标志位来表示。而字段叫什么名字、字段被定义为什么数据类型,这些都是无法固定的,只能引用常量池中的常量来描述。表6-8中列出了字段表的最终格式。

字段修饰符放在access_flags项目中,它与类中的access_flags项目是非常类似的,都是一个u2的数据类型,其中可以设置的标志位和含义见表6-9。

很明显,在实际情况中,ACC_PUBLIC、ACC_PRIVATE、ACC_PROTECTED三个标志最多只能选择其一,ACC_FINAL、ACC_VOLATILE不能同时选择。接口之中的字段必须有ACC_PUBLIC、ACC_STATIC、ACC_FINAL标志,这些都是由Java本身的语言规则所决定的。

6.3.6 方法表集合

6.3.7 属性表集合

6.4 字节码指令简介

6.4.1 字节码与数据类型

6.4.2 加载和存储指令

6.4.3 运算指令

6.4.4 类型转换指令

6.4.5 对象创建于访问指令

6.4.6 操作数栈管理指令

6.4.7 控制转移指令

6.4.8 方法调用和返回指令

6.4.9 异常处理指令

6.4.10 同步指令

6.5 公有设计和私有实现

6.6 Class文件结构的发展