类文件结构

类文件结构

马草原 573 2021-05-23

类文件结构

JVM虚拟机并非专门为Java语言服务的,Java虚拟机规范和Java语言规范是相互独立的,理论上只要能编译成.class 文件的语言都可以在JVM上运行,现在常见的比如Android开发的Kotlin、大数据开发中常用的Scala以及和Java配合工作的Groovy 等等…

以下是类文件的组成部分:
ClassFile

解释:

ClassFile {
    u4             magic; //Class 文件的标志
    u2             minor_version;//Class 的小版本号
    u2             major_version;//Class 的大版本号
    u2             constant_pool_count;//常量池的数量
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池
    u2             access_flags;//Class 的访问标记
    u2             this_class;//当前类
    u2             super_class;//父类
    u2             interfaces_count;//接口数量
    u2             interfaces[interfaces_count];//一个类可以实现多个接口
    u2             fields_count;//字段数量
    field_info     fields[fields_count];//一个类可以有多个字段
    u2             methods_count;//方法数量
    method_info    methods[methods_count];//一个类可以有个多个方法
    u2             attributes_count;//此类的属性表中的属性数
    attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合
}

这里推荐一个IDEA的插件jclasslib查看,可以更直观看到Class文件的结构:
jclasslib

类文件结构说明

1. 魔数(Magic Number):

u4             magic; //Class 文件的标志

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收的 Class 文件。 Java 规范规定魔数为固定值:0xCAFEBABE。如果读取的文件不是以这个魔数开头,Java 虚拟机将拒绝加载它。

2. Class 文件版本号(Minor&Major Version)

u2             minor_version;//Class 的小版本号
u2             major_version;//Class 的大版本号

魔数之后的四个字节存储的是 Class 文件的版本号:第 5 和第 6 个字节是次版本号,第 7 和第 8 个字节是主版本号。
每当 Java 发布大版本(比如 Java 8,Java9)的时候,主版本号都会加 1。

高版本的Java虚拟机可以执行低版本编译器生成的Class文件,但是低版本的Java虚拟机不能执行高版本编译器生成的Class文件。

javaversion

3. 常量池(Constant Pool)

u2             constant_pool_count;//常量池的数量
cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池

版本号之后的是常量池,常量池的数量是constant_pool_count-1(常量池计数器是从 1 开始计数的,将第 0 项常量空出来是有特殊考虑的,索引值为 0 代表“不引用任何一个常量池项”)。
常量池主要存放两大常量:字面量和符号引用。

字面量比较接近于 Java 语言层面的的常量概念,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。包括下面三类常量:类和接口的全限定名字段的名称和描述符方法的名称和描述符常量池中每一项常量都是一个表,这 14 种表有一个共同的特点:开始的第一位是一个 u1 类型的标志位 -tag 来标识常量的类型,代表当前这个常量属于哪种常量类型。

constant

constant2

4. 访问标志(Access Flags)

u2             access_flags;//Class 的访问标记

在常量池结束之后的两个字节代表访问标志,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,是否为 public 或者 abstract 类型,如果是类的话是否声明为 final 等等。

类访问和属性修饰符:
access_flags

access_flag

5. 当前类(This Class)、父类(Super Class)、接口(Interfaces)索引集合

u2             this_class;//当前类
u2             super_class;//父类
u2             interfaces_count;//接口数量
u2             interfaces[interfaces_count];//一个类可以实现多个接口

Java 类的继承关系由类索引、父类索引和接口索引集合三项确定。
类索引、父类索引和接口索引集合按照顺序排在访问标志之后,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 语言的单继承,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。接口索引集合用来描述这个类实现了那些接口,这些被实现的接口将按 implements (如果这个类本身是接口的话则是extends) 后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。

6. 字段表集合(Fields)

u2             fields_count;//字段数量
field_info     fields[fields_count];//一个类会可以有个字段

字段表(field info)用于描述接口或类中声明的变量。字段包括类级变量以及实例变量,但不包括在方法内部声明的局部变量。
field info(字段表) 的结构:
image-1698028713056

  • access_flags: 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),可否被序列化(transient 修饰符),可变性(final),可见性(volatile 修饰符,是否强制从主内存读写)。
  • name_index: 对常量池的引用,表示的字段的名称;
  • descriptor_index: 对常量池的引用,表示字段和方法的描述符;
  • attributes_count: 一个字段还会拥有一些额外的属性,attributes_count 存放属性的个数;
  • attributes[attributes_count]: 存放具体属性具体内容。

字段的 access_flag 的取值:
image-1698028794575

7. 方法表集合(Methods)

u2             methods_count;//方法数量
method_info    methods[methods_count];//一个类可以有个多个方法

methods_count 表示方法的数量,而 method_info 表示方法表。Class 文件存储格式中对方法的描述与对字段的描述几乎采用了完全一致的方式。方法表的结构如同字段表一样,依次包括了访问标志、名称索引、描述符索引、属性表集合几项。
method_info(方法表的) 结构:
image-1698028873703

方法表的 access_flag 取值:
image-1698028887638

8. 属性表集合(Attributes)

u2             attributes_count;//此类的属性表中的属性数
attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合

在 Class 文件,字段表,方法表中都可以携带自己的属性表集合,以用于描述某些场景专有的信息。与 Class 文件中其它的数据项目要求的顺序、长度和内容不同,属性表集合的限制稍微宽松一些,不再要求各个属性表具有严格的顺序,并且只要不与已有的属性名重复,任何人实现的编译器都可以向属性表中写 入自己定义的属性信息,Java 虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。