class类文件结构

类文件结构

Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，Class文件一般采用一种类似于C语言结构体的伪结构体的纹结构来存储数据，这种伪结构中只有两种数据类型：无符号数和表。

无符号数属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来本别代表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。

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Calss文件。

紧接着魔数的4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(Minor Version)，第7和第8个字节是主版本号(Major Version)。

常量池

常量池可以理解为Class文件之中的资源仓库。

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语言习惯不一样的是，这个容量是从1而不是从0开始的。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得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。

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

常量池中每一项常量都是一个表

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_flag），这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息。

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。

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变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。

描述符的作用是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表（包括数量、类型以及顺序）和返回值。

对于数组类型，每一维度将使用一个前置的“[”字符来描述，如定义一个“java.lang.String[][]”类型的二维数组，将被记录为：“[[Ljava/lang/String;”，一个整型数组“int[]”将被标记为“[I”。

用描述符来描述方法时，将按照先参数列表，后返回值的顺序描述，参数列表按照参数的严格顺序放在一组小括号“()”之内。如方法 void int() 的描述符为“()V”。

字段表都包含的固定数据项目到descriptor_index为止就结束了，不过在descriptor_index之后跟随着一个属性集合用于存储一些额外的信息，字段都可以在属性表中描述零至多项的额外信息。

字段集合中不会列出从超类或者父接口中继承而来的字段，但有可能列出原本Java代码之中不存在的字段，譬如在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。另外，在Java语言中字段是无法重载的，两个字段的数据类型、修饰符不管是否相同，都必须使用不一样的名称，但是对于字节码来讲，如果两个字段的描述符不一致，那字段重名就是合法的。

方法表集合

方发表的结构如同字段表一样，依次包括了访问标志(access_flags)、名称索引(name_index)、描述符索引(descriptor_index)、属性表集合(attributes)几项。

方法里的Java代码，经过编译器编译成字节码指令后，存放在方法属性表集合中一个名为“Code”的属性里面。

与字段表集合相对应的，如果父类方法在子类中没有被重写(Override)，方法表集合中就不会出现来自父类的方法信息。但同样的，有可能会出现由编译器自动添加的方法，最典型的便是构造器“”方法和实例构造器“”方法。

在Java语言中，要重载(Override)一个方法，需要有相同的方法名与不同的方法签名，无法仅仅依靠返回值的不同来对一个已有方法进行重载的。但是在Class文件格式中，特征签名的范围更大一些，只要描述符不是完全一致的两个方法也可以共存。也就是说，如果两个方法有相同的名称和特征签名，但返回值不同，那么也是可以合法共存于同一个Class文件中的。

属性表集合

Java虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性

每个属性，它的名称需要从常量池中引用一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量来表示，而属性值得结构则是完全自定义的，只需要通过一个u4的长度属性去说明属性值所占用的位数即可。

Code属性

Java程序方法体中的代码经过javac编译器处理后，最终变为字节码指令存储在Code属性内。

Code属性出现在方法表的属性集合之中，但并非所有的方法表都必须存在这个属性，譬如接口或者抽象类中的方法就不存在Code属性。

属性表结构

attribute_length指示了属性值的长度，由于属性名称索引与属性长度一共为6字节，所以属性值的长度固定为整个属性表长度减去6个字节。

max_stack代表了操作数栈（Operand Stack）深度的最大值。在方法执行的任意时刻，操作数栈都不会超过这个深度。虚拟机运行的时候需要根据这个值来分配栈帧（Stack Frame）中的操作栈深度。

max_locals代表了局部变量表所需的存储空间。在这里，max_locals的单位是Slot，Slot是虚拟机为局部变量分配内存所使用的最小单位。对于byte、char、float、int、short、boolean和returnAddress等长度不超过32位的数据类型，每个局部变量占用1个Slot，而double和long这两种64位的数据类型则需要两个Slot来存放。方法参数（包括实例方法中的隐藏参数“this”）、显式异常处理器的参数（Exception Handler Parameter，就是try-catch语句中catch块所定义的异常）、方法体中定义的局部变量都需要使用局部变量表来存放。局部变量表中的Slot是可以重用的。

code_length和code用来存储Java源程序编译后生成的字节码指令。code_length代表字节码长度，code用于存储字节码指令的一系列字节流。既然叫字节码指令，那么每个指令就是1个u1类型的单字节。

code_length虽然是一个u4类型的长度值，理论上最大值可以达到2³²-1，但是虚拟机规范中明确限制了一个方法不允许超过65535条字节码指令，即它实际只使用了u2的长度，如果超过这个限制，javac编译器也会拒绝编译。

Exceptions属性

Exceptions属性的作用是列举出方法中可能抛出的受检异常（Checked Exceptions），也就是方法描述时在throws关键字后面列举的异常。

LineNumberTable属性

LineNumberTable属性用于描述Java源码行号与字节码行号（字节码的偏移量）之间的对应关系。

在javac中分别使用-g:none或-g:lines选项来取消或要求生成这项信息。

如果选择不生成LineNumberTable属性，对程序运行产生的最主要的影响就是当抛出异常时，堆栈中将不会显示出错的行号，并且在调试程序的时候，也无法按照源码行来设置断点。

LocalVariableTable属性

LocalVariableTable属性用于描述栈帧中局部变量表中的变量与Java源码中定义的变量之间的关系，它也不是运行时必需的属性，但默认会生成到Class文件之中，可以在javac中分别用-g:none或-g:vars选项来取消或要求生成这项信息。

如果没有生成这项属性，最大的影响就是当其他人引用这个方法时，所有的参数名称都将会丢失，IDE将会使用诸如arg1、arg2之类的占位符代替原有的参数名，这对程序运行没有影响，但是会对代码编写带来较大不便，而且在调试期间无法根据参数名称从上下文中获得参数值。

在JDK1.5引入泛型之后，LocalVariableTable属性增加了一个“姐妹属性”：LocalVariableTypeTable，这个新增的属性结构与LocalVariableTable非常相似，仅仅是把记录的字段描述符的descriptor_index替换成了字段的特征签名（Signature），对于非泛型类型来说，描述符和特征签名能描述的信息是基本一致的，但是泛型引入之后，由于描述符中泛型的参数化类型被擦除掉，描述符就不能准确地描述泛型类型了，因此出现了LocalVariableTypeTable。

SourceFile属性

SourceFile属性用于记录生成这个Class文件的源码文件名称。这个属性也是可选的，可以分别使用javac的-g:none或-g:source选项来关闭或要求生成这项信息。

ConstantValue属性

ConstantValue属性的作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值。只有被static关键字修饰的变量（类变量）才可以使用这项属性。

对于非static类型的变量（也就是实例变量）的赋值是在实例构造器方法中进行的；而对于类变量，则有两种方式可以选择：在类构造器方法中或者使用ConstantValue属性。目前Sun Javac编译器的选择是：如果同时使用final和static来修饰一个变量（按照习惯，这里称为“常量”更贴切），并且这个变量的数据类型是基本类型或者java.lang.String的话，就生成ConstantValue属性来进行初始化，如果这个变量没有被final修饰，或者并非基本类型及字符串，则将会选择在方法中进行初始化。

InnerClasses属性

InnerClasses属性用于记录内部类与宿主类之间的关联。如果一个类中定义了内部类，那编译器将会为它以及它所包含的内部类生成InnerClasses属性。

Deprecated及Synthetic属性

Deprecated和Synthetic两个属性都属于标志类型的布尔属性，只存在有和没有的区别，没有属性的概念。

StackMapTable属性

StackMapTable属性在JDK1.6发布后增加到了Class文件规范中，它是一个复杂的变长属性，位于Code属性的属性表中。这个属性会在虚拟机类加载的字节码验证阶段被新类型检查验证器（Type Checker）使用，目的在于代替以前比较消耗性能的基于数据流分析的类型推到验证器。

类型检查验证器会通过检查目标方法的局部变量和操作数栈所需要的类型来确定一段字节码指令是否符合逻辑约束。

Signature属性

Signature属性在JDK1.5发布后增加到了Class文件规范之中，它是一个可选的定长属性，可以出现在类、属性表和方法表结构的属性表中。

在JDK1.5中大幅增强了Java语言的语法，在此之后，任何类、接口、初始化方法或成员的泛型签名如果包含了类型变量（Type Variables）或参数化类型（Parameterized Types），则Signature属性会为它记录泛型签名信息。

BootstrapMethods属性

BootstrapMethods属性在JDK1.7发布后增加到了Class文件规范之中，它是一个复杂的变长属性，位于类文件的属性表中。这个属性用于保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符。