Java | 请概述一下 Class 文件的结构

2020-08-02 本文已影响0人彭旭锐

前言

Class 文件是Java技术体系的重要组成部分，在学习整个虚拟机的执行引擎之前，应该清楚Class 文件的结构；
这篇文章将带你理解Class 文件的基本结构，希望能帮上忙。

延伸文章

对于Java编译过程不了解，请阅读：《Java | 聊一聊编译过程（编译前端 & 编译后端）》
对于类加载的流程不太了解，请阅读：《Java | 谈谈你对类加载过程的理解》

1. 什么是 Class 文件？

定义：或称字节码，可以看作Java 虚拟机的可执行文件
作用：对应于一个类 / 抽象类 / 接口的定义信息
意义：Java 虚拟机 & Class 文件共同构成了Java无关性的基础
来源
- 1. 由Java 源码经过Java 编译器编译后得到，以磁盘文件形式存在
- 1. 由字节码生成技术（如javassist / CGLib / ASM）生成，以内存中二进制流形式存在

# 咬文嚼字 #

虽然字节码不一定是以 “磁盘文件” 的形式存在，但是通常在很多文献 & 资料中会笼统地将字节码表述为Class 文件，这里不必钻牛角尖。

更多信息请务必阅读：《Java | 为什么 Java 实现了平台无关性》

2. Class 文件的大致结构

Class 文件是一种强协议的紧凑型结构（遵循《Java 虚拟机规范》）
Class 文件有三种数据结构：无符号数、TVL、表，具体如下：

Class 文件本质上也是一个表，大致结构如下图：

魔数：固定值0xCAFEBABE，用于鉴别为合法的Class 文件
版本号：表示Class 文件的目标版本号，高版本的虚拟机可以向前兼容旧版本Class 文件
访问标志：一个u2无符号数，用于表示本类 / 接口的访问信息。其中每个标志位的值与java.lang.reflect.Modifier中的常量一一对应：

本类索引 & 父类索引 & 接口索引集：是一个索引值，（共经过 2 次索引后）指向常量池中一个utf-8编码的 全限定名，例如：java/lang/Object;
字段表集合：用于描述类或接口中声明的变量（包括类变量与成员变量）
方法表集合：用于描述类或接口中声明的方法（包括类方法与成员方法）
属性表集合：用于描述 Class 文件、字段表、方法表中携带的属性

下面，我将概括表中各个重点数据项的具体含义！

3. 常量池（const pool）

常量池中的每一项常量都是一个表
存放两种类常量：字面量（Literal）和 符号引用（Symbolic References）

符号引用（Symbolic References）是一个字符串类型的字面量（存储在常量池），它的作用是唯一地标示一个实体，最重要的特点如下：

平台无关性
这一点与Java的特性是一脉相承的。符号引用与具体虚拟机实现内存布局无关，需要在运行期将符号引用转换为直接引用（Direct Reference），这个直接引用才是符号引用在虚拟机中的真实存在。
唯一性
无歧义地标示一个目标，以方法为例，如果是本类中声明的方法，不需要添加类名（如：Method func:()V）；如果是其他类中声明的方法，需要添加类名前缀（如：Method com/Base.func:()V）。

常量池表结构有一个共同的特点，就是表结构的首元素是u1的标志位，代表当前的常量类型，截止到Java 13总共有 20 种常量：

常量类型 —— 引用自《深入理解Java虚拟机》

4. 本类索引 & 父类索引 & 接口索引集

本类索引肯定存在，只有一个
Java是类单继承，所以父类索引只有一个（特例：Object的父类索引为 0）
Java是接口多继承，所以接口索引有零或多个

这三个索引值均指向常量池中CONSTANT_Class_info常量，而CONSTANT_Class_info常量本质上也是一个索引值，指向CONSTANT_Utf8_info常量。经过 2次索引，这三个索引最终指向对应 类 / 接口的全限定名

2 次索引后指向全限定名 —— 引用自《深入理解Java虚拟机》

5. 字段表（field_info）

字段表用于描述类字段与实例字段，但只包括在本类中声明的字段，既不包括父类中声明的字段，也不包括方法内部声明的局部变量。要注意的是，编译器生成的字段是包括的，例如编译器会为非静态内部类添加外部类的引用字段。字段表的基本结构如下：

字段表的基本结构

access_flags：字段的访问标志位
name_index：常量池索引，最终指向字段的简单名称，见第 8 节
descriptor_index：常量池索引，最终指向字段的描述符，见第 8 节
attributes_count & attributes：字段属性，为字段的附加信息，见第 8 节

6. 方法表（method_info）

方法表和字段表的设计是很相似的。方法表用于描述类方法与实例方法，但只包括在本类中声明的方法或者重写的方法，不包括父类或父接口中声明的方法。需要注意的是，编译器生成的方法是包括的，例如类构造器<clinit>()与实例构造器<init>()。方法表的基本结构如下：

方法表的基本结构

可以看到，方法表和字段表的基本结构是完全一致的，此处不再赘述。需要特别指出的是，方法里面的代码在方法的Code属性，方法的受检异常声明在Exception属性。

7. 属性表（attribute_info）

属性相当于字段表或方法表的附加信息
每一项属性都是一个表，基本结构如下图所示：

属性表的基本结构

attribute_name_index：常量池索引，最终指向一个属性名。Class 文件使用属性名来区分每一种属性，截止到Java 12，总共有 29 种预定义属性。
attribute_length：不同属性的属性信息是不同的，因此需要一个长度表表示属性信息占用的长度
info：属性信息

# 你觉得呢？#

市面上你能找到的介绍虚拟机的书籍，普遍都会按顺序罗列出每种属性的信息。笔者并不是说这种方式不好，因为作为书籍的阐述方式需要考虑到读者可接受度 & 参考性的问题。但是如果以博客的阐述方式也采用同样地方式，岂非成为知识搬运工？因此，我将从不同的问题域出发，在每个问题域中介绍每种属性。

Code 属性

Exceptions 属性

请阅读：
《Java | 从方法调用到方法返回的过程（正常返回）》
《Java | 从方法调用到方法返回的过程（异常返回）》

LocalVariableTable 属性

LocalVariableTypeTable 属性

Signature 属性

请阅读：
《Java | 泛型从入门到精通》
《Java | 为什么非静态内部类会持有外部类的引用》

InnerClasses 属性

请阅读：
《Java | 为什么非静态内部类会持有外部类的引用》

8. 信息描述规则

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参考资料

《深入理解Java虚拟机（第3版本）》（第6章）—— 周志明著
《深入理解Android：Java虚拟机 ART》（第2章） —— 邓凡平著
《深入理解 JVM 字节码》（第2、3、4章）—— 张亚著