给我讲一下class类文件结构？

首先来看一道面试题：

** java中 String 字符串的长度有限制吗？**

平时项目开发中，我们经常会用到 String 来声明字符串，比如 String str = “abc”， 但是你可能从来没有想过等于号之后的字符串常量到底有没有长度限制。要彻底答对这道题，就需要了解——class 文件。

1.1 class的来龙去脉

Java 能够实现"一次编译，到处运行”，这其中 class 文件要占大部分功劳。为了让 Java 语言具有良好的跨平台能力，Java 独具匠心的提供了一种可以在所有平台上都能使用的一种中间代码——字节码类文件（.class文件）。有了字节码，无论是哪种平台（如：Mac、Windows、Linux 等），只要安装了虚拟机都可以直接运行字节码。

目前 Java 虚拟机已经可以支持很多除 Java 语言以外的其他语言了，如 Groovy、JRuby、Jython、Scala 等。之所以可以支持其他语言，是因为这些语言经过编译之后也可以生成能够被 JVM 解析并执行的字节码文件。而虚拟机并不关心字节码是由哪种语言编译而来的。如下图所示：

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2.1 class文件

class 文件里只有两种数据结构：无符号数和表。

• 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、数量值或者字符串（UTF-8 编码）。
• 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，class文件中所有的表都以“_info”结尾。其实，整个 Class 文件本质上就是一张表。

这两者之间的关系可以用下面这张张图来表示：

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 // 无符号数

u1 = byte[1];
u2 = byte[2];
u4 = byte[4];
u8 = byte[8];
// 表
class_table {
// 表中可以引用各种无符号数，
u1 tag;
u2 index2;
...
// 表中也可以引用其它表
method_table mt;
...
}

2.1.1 class文件结构

刚才我们说在 class 文件中只存在无符号数和表这两种数据结构。而这些无符号数和表就组成了 class 中的各个结构。这些结构按照预先规定好的顺序紧密的从前向后排列，相邻的项之间没有任何间隙。如下图所示：

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当 JVM 加载某个 class 文件时，JVM 就是根据上图中的结构去解析 class 文件，加载 class 文件到内存中，并在内存中分配相应的空间。具体某一种结构需要占用大多空间，可以参考下图：

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3.1 实例分析

 public class Test implements Serializable, Cloneable{
  private int num = 1;

  public int add(int i) {
      int j = 10;
      num = num + i;
      return num;
 }

}

通过 javac 将其编译，生成 Test.class 字节码文件。然后使用 16 进制编辑器打开 class 文件，显示内容如下所示：

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上图中都是一些 16 进制数字，每两个字符代表一个字节。乍看一下各个字符之间毫无规律，但是在 JVM 的视角里这些 16 进制字符是按照严格的规律排列的。接下来就一步一步看下 JVM 是如何解析它们的。

3.1.1 魔数 magic number

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如上图所示，在 class 文件开头的四个字节是 class 文件的魔数，它是一个固定的值--0XCAFEBABE。魔数是 class 文件的标志，也就是说它是判断一个文件是不是 class 格式文件的标准， 如果开头四个字节不是 0XCAFEBABE， 那么就说明它不是 class 文件， 不能被 JVM 识别或加载。

3.1.2版本号

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紧跟在魔数后面的四个字节代表当前 class 文件的版本号。前两个字节 0000 代表次版本号（minor_version），后两个字节 0034 是主版本号（major_version），对应的十进制值为 52，也就是说当前 class 文件的主版本号为 52，次版本号为 0。所以综合版本号是 52.0，也就是 jdk1.8.0

3.1.3 常量

紧跟在版本号之后的是一个叫作常量池的表（cp_info）。在常量池中保存了类的各种相关信息，比如类的名称、父类的名称、类中的方法名、参数名称、参数类型等，这些信息都是以各种表的形式保存在常量池中的。

常量池中的每一项都是一个表，其项目类型共有 14 种，如下表所示：

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可以看出，常量池中的每一项都会有一个 u1 大小的 tag 值。tag 值是表的标识，JVM 解析 class 文件时，通过这个值来判断当前数据结构是哪一种表。以上 14 种表都有自己的结构，这里不再一一介绍，就以 CONSTANT_Class_info 和 CONSTANT_Utf8_info 这两张表举例说明，因为其他表也基本类似。

首先，我们从上图中找一个CONSTANT_Class_info 表具体结构如下所示：

 table CONSTANT_Class_info {
u1  tag = 7;
u2  name_index;
}

解释说明。

• tag：占用一个字节大小。比如值为 7，说明是 CONSTANT_Class_info 类型表。

• name_index：是一个索引值，可以将它理解为一个指针，指向常量池中索引为 name_index 的常量表。比如 name_index = 2，则它指向常量池中第 2 个常量。

而我们在java代码中声明的String字符串最终在class文件中的存储格式就 CONSTANT_utf8_info。因此一个字符串最大长度也就是u2所能代表的最大值65536个，但是需要使用2个字节来保存 null 值，因此一个字符串的最大长度为 65536 - 2 = 65534。

不难看出，在常量池内部的表中也有相互之间的引用。用一张图来理解 CONSTANT_Class_info 和 CONSTANT_utf8_info 表格之间的关系，如下图所示：

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3.1.4 访问标志（access_flags）

紧跟在常量池之后的常量是访问标志，占用两个字节，如下图所示：

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访问标志代表类或者接口的访问信息，比如：该 class 文件是类还是接口，是否被定义成 public，是否是 abstract，如果是类，是否被声明成 final 等等。各种访问标志如下所示：

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我们定义的 Test.java 是一个普通 Java 类，不是接口、枚举或注解。并且被 public 修饰但没有被声明为 final 和 abstract，因此它所对应的 access_flags 为 0021（0X0001 和 0X0020 相结合）。

3.1.5 类索引、父类索引与接口索引计数器

在访问标志后的 2 个字节就是类索引，类索引后的 2 个字节就是父类索引，父类索引后的 2 个字节则是接口索引计数器。如下图所示：

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可以看出类索引指向常量池中的第 5 个常量，父类索引指向常量池中的第 6 个常量，并且实现的接口个数为 2 个。再回顾下常量池中的数据：

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从图中可以看出，第 5 个常量和第 6 个常量均为CONSTANT_Class_info 表类型，并且代表的类分别是“Test”和“Object”。再看接口计数器，因为接口计数器的值是 2，代表这个类实现了 2 个接口。查看在接口计数器之后的 4 个字节分别为：

• 0007：指向常量池中的第 7 个常量，从图中可以看出第 7 个常量值为"Serializable"。

• 0008：指向常量池中的第 8 个常量，从图中可以看出第 8 个常量值为"Cloneable"。

综上所述，可以得出如下结论：当前类为 Test 继承自 Object 类，并实现了“Serializable”和“Cloneable”这两个接口。

3.1.6 字段表

紧跟在接口索引集合后面的就是字段表了，字段表的主要功能是用来描述类或者接口中声明的变量。这里的字段包含了类级别变量以及实例变量，但是不包括方法内部声明的局部变量。

同样, 一个类中的变量个数是不固定的，因此在字段表集合之前还是使用一个计数器来表示变量的个数，如下所示：

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0002 表示类中声明了 2 个变量（在 class 文件中叫字段），字段计数器之后会紧跟着 2 个字段表的数据结构。

字段表的具体结构如下：

  CONSTANT_Fieldref_info{
u2  access_flags    字段的访问标志
u2  name_index          字段的名称索引(也就是变量名)
u2  descriptor_index    字段的描述索引(也就是变量的类型)
u2  attributes_count    属性计数器
attribute_info

}

继续解析 Text.class 中的字段表，其结构如下图所示：

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3.1.7 字段访问标志

对于 Java 类中的变量，也可以使用 public、private、final、static 等标识符进行标识。因此解析字段时，需要先判断它的访问标志，字段的访问标志如下所示：

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字段表结构图中的访问标志的值为 0002，代表它是 private 类型。变量名索引指向常量池中的第 9 个常量，变量名类型索引指向常量池中第 10 个常量。第 9 和第 10 个常量分别为“num”和“I”，如下所示：

Ciqah16DCWCAOTRgAAD1A786a0w663.png

因此可以得知类中有一个名为 num，类型为 int 类型的变量。对于第 2 个变量的解析过程也是一样，就不再过多介绍。

注意事项：

• 字段表集合中不会列出从父类或者父接口中继承而来的字段。
• 内部类中为了保持对外部类的访问性，会自动添加指向外部类实例的字段。

3.1.8 方法表

字段表之后跟着的就是方法表常量。相信你应该也能猜到了，方法表常量应该也是以一个计数器开始的，因为一个类中的方法数量是不固定的，如图所示：

Cgq2xl6DCWCAZxp2AAARuAI8Xbw177.png

上图表示 Test.class 中有两个方法，但是我们只在 Test.java 中声明了一个 add 方法，这是为什么呢？这是因为默认构造器方法也被包含在方法表常量中。

方法表的结构如下所示：

CONSTANT_Methodref_info{
u2  access_flags;        方法的访问标志
u2  name_index;          指向方法名的索引
u2  descriptor_index;    指向方法类型的索引
u2  attributes_count;    方法属性计数器
attribute_info attributes;

}

可以看到，方法也是有自己的访问标志，具体如下：

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我们主要来看下 add 方法，具体如下：

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从图中我们可以看出 add 方法的以下字段的具体值：

• access_flags = 0001 也就是访问权限为 public。
• name_index = 0X0011 指向常量池中的第 17 个常量，也就是“add”。
• type_index = 0X0012 指向常量池中的第 18 个常量，也即是 (I)。这个方法接收 int 类型参数，并返回 int 类型参数。

3.1.9 属性表

在之前解析字段和方法的时候，在它们的具体结构中我们都能看到有一个叫作 attributes_info 的表，这就是属性表。

属性表并没有一个固定的结构，各种不同的属性只要满足以下结构即可：

 CONSTANT_Attribute_info{
u2 name_index;
u2 attribute_length length;
u1[] info;

}

通过 javap -v Test.class 之后，可以看到方法的字节码，如下图显示的是 add 方法的字节码指令：

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4.1 总结：

我们主要了解了一个 class 文件内容的数据结构到底长什么样子，并通过 Test.class 来模拟演示Java虚拟机解析字节码文件的过程。其中 class 常量池部分是重点内容，它就相当于是 class 文件中的资源仓库，其他的几种结构或多或少都会最终指向到这个资源仓库中。实际上平时我们不太会直接用一个 16 进制编辑器去打开一个 .class 文件。我们可以使用 javap 等命令或者是其他工具，来帮助我们查看 class 内部的数据结构。只不过自己亲手操作一遍是很有助于理解 JVM 的解析过程，并加深对 class 文件结构的记忆。