Java類文件結(jié)構(gòu)

Java虛擬機(jī)不和包括Java在內(nèi)的任何語言綁定，只與 "Class文件" 這種特定的二進(jìn)制文件所關(guān)聯(lián)， Class文件中包含了Java虛擬機(jī) 指令集合符號(hào)表 以及若干其它輔助信息。 Java虛擬機(jī)作為一個(gè)通用的、機(jī)器無關(guān)的執(zhí)行平臺(tái)，任何其他語言都可以將其作為語言的產(chǎn)品交付媒介。

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Class類文件結(jié)構(gòu)

Class文件是一組以8位字節(jié)為基礎(chǔ)的 二進(jìn)制流 ， 各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目嚴(yán)格按照順序緊湊地排列在Class文件之中，中間沒有添加任何分隔符， 這使得整個(gè)Class文件中存儲(chǔ)的內(nèi)容幾乎全部是程序運(yùn)行的必要數(shù)據(jù)，沒有空隙存在。 當(dāng)遇到需要占用8位字節(jié)以上空間的數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，則會(huì)按照 高位在前 的方式分割成若干個(gè)8位字節(jié)進(jìn)行存儲(chǔ)。

Class文件格式采用一種類似于C語言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)數(shù)，這種偽結(jié)構(gòu)有兩種數(shù)據(jù)類型：

無符號(hào)數(shù)

表

無符號(hào)數(shù)：屬于基本數(shù)據(jù)類型，以u(píng)1、u2、u4、u8來代表1個(gè)字節(jié)、2個(gè)字節(jié)、4個(gè)字節(jié)、8個(gè)字節(jié)的無符號(hào)數(shù)， 無符號(hào)數(shù)可以用來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或者按照UTF-8編碼構(gòu)成字符串值。

表：由多個(gè)無符號(hào)數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，所有表都習(xí)慣性地以"_info"結(jié)尾。 表用于描述有層次關(guān)系的復(fù)合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，整個(gè)Class文件本質(zhì)上就是一張表。

• 注意：Class文件結(jié)構(gòu)不像XML等描述語言，由于它沒有任何分割符號(hào)， 所以無論是數(shù)量甚至于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的字節(jié)序這樣的細(xì)節(jié)都被嚴(yán)格限定， 哪個(gè)字節(jié)代表什么含義，長(zhǎng)度是多少，先后順序如何，都不允許改變。

魔數(shù)與Class文件版本

每個(gè)Class文件的頭四個(gè)字節(jié)稱為魔數(shù)（Magic Number）, 它的唯一作用是 確定這個(gè)文件是否為一個(gè)能被虛擬機(jī)接收的Class文件 。 緊接著魔數(shù)的四個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)的是Class文件的版本號(hào)： 第五和第六是次版本號(hào)，第七和第八是主版本號(hào)。

 

常量池

緊接著主次版本號(hào)之后的是常量池入口， 常量池可以理解為Class文件之中的資源倉庫 ， 它是Class文件結(jié)構(gòu)中與其他項(xiàng)目關(guān)聯(lián)最多的數(shù)據(jù)類型，也是占用Class文件空間最大的數(shù)據(jù)項(xiàng)目之一， 同時(shí)它還是在Class文件中第一個(gè)出現(xiàn)的表類型數(shù)據(jù)項(xiàng)目。 常量池主要存放兩大常量： 字面量 和 符號(hào)引用 。 字面量比較接近于java語言層面的的常量概念，如文本字符串、聲明為final的常量值等。 而符號(hào)引用則屬于 編譯原理方面的概念 。包括下面三類常量：

• 類和接口的全限定名

• 字段的名稱和描述符

• 方法的名稱和描述符

由于常量池中常量的數(shù)量是不固定的，所以在常量池的入口需要設(shè)置一項(xiàng)u2類型的數(shù)據(jù)，代表常量池容量計(jì)數(shù)值。 與Java中語言習(xí)慣不一樣的是，這個(gè)容量技術(shù)是從1而不是0開始的，如下圖表示，常量池容量（偏移地址：0x00000008）

為十六進(jìn)制數(shù)0x0016，即十進(jìn)制22，這代表常量池中有21項(xiàng)常量，索引值范圍為1~21。在Class文件格式規(guī)范制定之時(shí)，設(shè)計(jì)者將第0項(xiàng)常量空出來是有特殊考慮的，這樣做的目的在于 滿足后面某些指向常量池的索引值的數(shù)據(jù)在特定情況下需要表達(dá)

"不引用任何一個(gè)常量池項(xiàng)目"的含義，這種情況就可以把索引值置為0來表示。  Class文件結(jié)構(gòu)中只有常量池的容量計(jì)數(shù)從1開始 ， 對(duì)于其他集合類型，包括接口索引結(jié)合，字段表集合，方法表集合等容量技術(shù)都與一般習(xí)慣相同，從0開始。

 

訪問標(biāo)志

在常量池結(jié)束之后，緊接著的兩個(gè)字節(jié)代表訪問標(biāo)志， 這個(gè)標(biāo)志用于識(shí)別一些類或者接口層次的訪問信息， 包括：這個(gè)Class是類還是接口，是否為public或者abstract類型，如果是類的話是否聲明為final等等。 標(biāo)志位和標(biāo)志的含義對(duì)應(yīng)如下：

 

類索引、父類索引與接口索引集合

類索引、父類索引與接口索引集合都按順序排列在訪問標(biāo)志之后， Class文件由這三項(xiàng)數(shù)據(jù)來確定這個(gè) 類的繼承關(guān)系 。 類索引用于確定 這個(gè)類的全限定名 ， 父類索引用于確定 這個(gè)類的父類的全限定名 ，由于java語言的單繼承，所以父類索引只有一個(gè)， 除了java.lang.Object之外，所有的java類都有父類，因此除了java.lang.Object外，所有java類的父類索引都不為0。 接口索引集合用來描述 這個(gè)類實(shí)現(xiàn)了哪些接口 ，這些被實(shí)現(xiàn)的接口將按 implents(如果這個(gè)類本身是接口的話則是extends)后的接口順序從左到右排列在 接口索引集合中。

字段表集合

字段表（field info）用于描述接口或類中聲明的變量。 字段包括 類變量 和 實(shí)例變量 ，但不包括在方法內(nèi)部聲明的局部變量。

我們可以想一想在Java中描述一個(gè)字段可以包含什么信息呢?

字段的作用域（public ,private,protected修飾符），是實(shí)例變量還是類變量（static修飾符）、 可變性（final）、并發(fā)可見性（volatile修飾符，是否強(qiáng)制從主內(nèi)存讀寫）、可否被序列化（transient修飾符）、 字段數(shù)據(jù)類型、字段名稱。

上述這些信息中，各個(gè)修飾符都是布爾值，要么有某個(gè)修飾符，要么沒有，很適合使用標(biāo)志位來表示。 而字段叫什么名字、字段被定義為什么數(shù)據(jù)類型這些都是無法固定的，只能引用常量池中常量來描述。

方法表集合

Class文件存儲(chǔ)格式中對(duì)方法的描述與對(duì)字段的描述幾乎采用了完全一致的方式。 方法表的結(jié)構(gòu)如同字段表一樣，依次包括了訪問標(biāo)志、名稱索引、描述符索引、屬性表集合幾項(xiàng)。

• 注意：因?yàn)関olatile修飾符和transient修飾符不可以修飾方法， 所以方法表的訪問標(biāo)志中沒有這兩個(gè)對(duì)應(yīng)的標(biāo)志，但是增加了synchronized、native、abstract等關(guān)鍵字修飾方法， 所以也就多了這些關(guān)鍵字對(duì)應(yīng)的標(biāo)志。

屬性表集合

在Class文件， 字段表，方法表中都可以攜帶自己的屬性表集合 ，以用于描述某些場(chǎng)景專有的信息。 與Class文件中其它的數(shù)據(jù)項(xiàng)目要求的順序、長(zhǎng)度和內(nèi)容不同，屬性表集合的限制稍微寬松一些， 不再要求各個(gè)屬性表具有嚴(yán)格的順序，并且只要不與已有的屬性名重復(fù)， 任何人實(shí)現(xiàn)的編譯器都可以向?qū)傩员碇袑懭胱约憾x的屬性信息，Java虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)忽略掉它不認(rèn)識(shí)的屬性。

字節(jié)碼指令簡(jiǎn)介

字節(jié)碼與數(shù)據(jù)類型

在java虛擬機(jī)的指令集中，大多數(shù)的指令都包含了其操作所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型信息， 例如iload指令用于從局部變量表中加載int類型的數(shù)據(jù)到操作數(shù)棧中，而fload指令加載的則是float類型的數(shù)據(jù)。 這兩條指令的操作在虛擬機(jī)內(nèi)部可能是同一段代碼實(shí)現(xiàn)的，但在Class文件中它們必須擁有各自獨(dú)立的操作碼。

大部分的指令都沒有支持整數(shù)類型byte、char、short甚至沒有任何指令支持boolean類型。 大多數(shù)對(duì)于byte、char、short、boolean類型的操作， 實(shí)際上都是使用相應(yīng)的int類型作為運(yùn)算符類型 。

加載和存儲(chǔ)指令

加載和存儲(chǔ)指令用于將數(shù)據(jù)在棧幀中的 局部變量表 和 操作數(shù)棧 之間來回傳輸。

 

運(yùn)算指令

運(yùn)算或算術(shù)指令用于對(duì)操作數(shù)棧上的值進(jìn)行某種特定運(yùn)算，并把結(jié)果重新存入操作棧頂。

大體上算術(shù)指令可以分為兩種： 對(duì) 整型數(shù)據(jù) 和對(duì) 浮點(diǎn)數(shù)據(jù) 進(jìn)行運(yùn)算指令。 （由于沒有byte、char、short、boolean類型，所以對(duì)這類數(shù)據(jù)的運(yùn)算應(yīng)使用int類型指令代替）

類型轉(zhuǎn)換指令

類型轉(zhuǎn)換指令可以將兩種不同的數(shù)值類型進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。 （比如int類型轉(zhuǎn)換為float類型）  小范圍到大范圍類型安全轉(zhuǎn)換 ，無需顯式的轉(zhuǎn)換指令，否則必須顯式的使用轉(zhuǎn)換指令來完成。

對(duì)象創(chuàng)建與訪問指令

雖然類實(shí)例和數(shù)組都是對(duì)象，但java虛擬機(jī)對(duì)類實(shí)例和數(shù)組的創(chuàng)建和操作使用了不同的字節(jié)碼指令。

 

操作數(shù)棧管理指令

如同操作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧一樣，Java虛擬機(jī)也提供了一些用于直接操作操作數(shù)棧的指令。

 

控制轉(zhuǎn)移指令

可以認(rèn)為控制轉(zhuǎn)移指令就是在有條件或無條件地修改PC寄存器的值。

方法調(diào)用和返回指令

invokevirtual 指令用于調(diào)用對(duì)象的實(shí)例方法
invokeinterface 指令用于調(diào)用接口方法
invokespecial 指令用于調(diào)用一些需要特殊處理的實(shí)例方法
invokestatic 指令用于調(diào)用類方法（static方法）
invokedynamic 指令用于在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)解析出調(diào)用點(diǎn)限定符所使用的方法。

方法調(diào)用指令與數(shù)據(jù)類型無關(guān)，而方法返回指令是根據(jù)返回值的類型區(qū)分的。

異常處理指令

在java虛擬機(jī)中，處理異常（catch語句）不是由字節(jié)碼指令來實(shí)現(xiàn)的，而是采用 異常表 的方式。

同步指令

java虛擬機(jī)可以支持方法級(jí)的同步和方法內(nèi)部一段指令序列的同步，這兩種同步結(jié)構(gòu)使用管程（Monitor）來支持的。

虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的兩種方式

方式一

將輸入的Java虛擬機(jī)代碼在加載或執(zhí)行時(shí)翻譯成另外一種虛擬機(jī)的指令集。

方式二

將輸入的Java虛擬機(jī)代碼在加載或執(zhí)行時(shí)翻譯成宿主主機(jī)CPU的本地指令集。（即JIT代碼生成技術(shù)）

Class文件結(jié)構(gòu)的發(fā)展

Class文件結(jié)構(gòu)已經(jīng)有十多年歷史了，這10多年間，java技術(shù)體系有了翻天覆地的變化，但是Class文件結(jié)構(gòu)一直處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，Class文件的主體結(jié)構(gòu)、字節(jié)碼指令的語義和數(shù)量幾乎沒有出現(xiàn)過變動(dòng)， 所有Class文件格式的改進(jìn)，都集中在向 訪問標(biāo)志 、 屬性表 這些在設(shè)計(jì)上就可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中添加內(nèi)容。

名稱欄目：Java虛擬機(jī)，類文件結(jié)構(gòu)深度解析
路徑分享：http://aaarwkj.com/article16/gjdjgg.html

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