JVM基础类文件结构

JasonExplorer
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Java之所以可以"一次编译，到处运行"， 一是因为Jvm针对各种操作系统，平台都进行了定制。二是无论在什么平台，都可以编译生成固定格式字节码(.class)文件供JVM使用。

public class Test {
    public int math() {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 10;
        return c;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        test.math();
    }
}

编译成.class文件用UE编辑器打开

image.png

上面看似杂乱的十六进制字节码，其实是有一定的规范的。JVM规范要求每一个字节码文件都要由十部分按照固定的顺序组成，整体结构如下图。

image.png

1. 魔数

每个class文件的头4个字节称之为魔数（Megic Number）

CA FE BA BE

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 Class 文件。魔数的固定值为：0xCAFEBABE。魔数放在文件开头，JVM 可以根据文件的开头来判断这个文件是否可能是一个.class文件，如果是，才会继续进行之后的操作。

很多文件存储标准中都使用魔数来进行身份识别，譬如图片格式，如 gif 或者 jpg 等在文件头中都存有魔数。使用魔数而不是扩展名来进行识别主要是基于安全方面的考虑，因为文件扩展名可以随意改动。

2. 版本号

版本号为魔数之后的 4 个字节

00 00 00 34

前两个字节表示次版本号（Minor Version），后两个字节表示主版本号（Major Version）。

3. 常量池

紧接着主版本号之后的字节为常量池入口。常量池中存储两种类型常量: 字面量和符号运用。

  • 字面量(Literal)：文本字符串(“ABC”)、基本数据类型的值(1,1.0)

  • 符号引用(Symbolic References)

    1. 类和接口的全限定名(Fully Qualified Name)
    2. 字段的名称和描述符(Descriptor)
    3. 方法的名称和描述符

可以将类信息理解成框架，常量池保存具体数据。因为无论是后面类名称或者是字段名、方法名都是保存在常量池，它们相应位置只保存在常量池中的偏移量。

常量池组成

常量池整体上分为两部分：常量池计数器以及常量池数据区，如下图：

image.png 1）常量池计数器（constant_pool_count）: 由于常量池的数量不固定，所以需要先放置两个字节来表示常量池容量计数值。上面示例代码的常量池计数器为“0014”，转换为十进制后可以得到20，排除下标 0，也就是说这个类文件有 19 个常量。

2）常量池数据区：数据区是由（constant_pool_count - 1）个 cp_info 结构组成，一个 cp_info 的结构对应一个常量。在字节码中共有 14 种类型的 cp_info ，每种类型的结构都是固定的，如下表所示：

image.png

4. 访问标识

常量池结束之后的两个字节，描述该 Class 是类还是接口，以及是否被 Public、Abstract、Final 等修饰符修饰。JVM 规范规定了如下表所示的 8 种访问标志：

image.png

需要注意的是，JVM 并没有穷举所有的访问标志，而是使用按位或操作来进行描述的，比如某个类的修饰符为 public final，则对应的访问修饰符的值为 ACC_PUBLIC | ACC_FINAL，即 0x0001 | 0x0010 = 0x0011

5. 当前索引

访问标志后的两个字节，描述的是当前类的全限定名。这两个字节保存的值为常量池中的索引值，根据索引值就能在常量池中找到这个类的全限定名。

6. 父类索引

当前类名的后两个字节，描述父类的全限定名。这两个字节保存的值也是在常量池中的索引值，根据索引值就能在常量池中找到这个类的父类的全限定名。

7. 接口索引

父类名称后的两个字节，描述这个类的接口计数器，即: 当前类或父类实现的接口数量。紧接着的 n 个字节是所有的接口名称的字符串常量在常量池的索引值。

8. 字段表

字段表用于描述类和接口中声明的变量，包含类级别的变量以及实例变量，但是不包含方法内部声明的 局部变量。字段表也分为两部分

  • 第一部分是两个字节，描述字段个数
  • 第二部分是每个字段的详细信息 field_info。字段表结构如下图所示:

9. 方法表

字段表结束后为方法表，方法表也是由两部分组成

  • 第一部分为两个字节描述方法的个数
  • 第二个部分为每个方法的详细信息。包括：方法的访问标志、方法名、方法的描述符以及方法的属性

10. 附加属性

字节码的最后一部分，存放了在文件中类或接口所定义的属性的基本信息。

参考文档：

《class 字节码文件结构详解》

《Java虚拟机》

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