无关性的基石-Class类文件

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无关性的基石-Class类文件

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Java诞生之初就宣称的“一次编译,处处运行”的性质一直是Java的一大特点,而Java实现这个特点的方式是将.java文件编译成.class文件,通过JVM屏蔽系统差异实现的。事实上,不仅是Java,其他的比如Kotlin、Groovy等语言也都可以通过编译成字节码文件运行在Java虚拟机上,而Java虚拟机也并不关心被编译成字节码文件之前是什么语言。

Java虚拟机提供的语言无关性.png

Class类文件的结构-枯燥的基础知识

Java技术能够一直保持着非常良好的向后兼容性,Class文件结构的稳定功不可没,任何一门程序 语言能够获得商业上的成功,都不可能去做升级版本后,旧版本编译的产品就不再能够运行这种事 情。本章所讲述的关于Class文件结构的内容,绝大部分都是在第一版中就已经定义好的,内容虽然古老,但时至今日,Java发展 经历了十余个大版本、无数小更新,那时定义的Class文件格式的各项细节几乎没有出现任何改变。尽管不同版本的《Java虚拟机规范》对Class文件格式进行了几次更新,但基本上只是在原有结构基础上 新增内容、扩充功能,并未对已定义的内容做出修改。我们先来看下class文件格式:

类型名称含义
u4magic文件的标志:魔数
u2minor_versionClass的次版本号
u2major_versionClass的主版本号
u2constant_pool_count常量池的数量
cp_infoconstant_pool[constant_pool_count-1]常量池
u2access_flagsClass 的访问标志
u2this_class当前类
u2super_class父类
u2interfaces_count接口
u2interfaces[interfaces_count]一个类可以实现多个接口
u2fields_countClass 文件的字段属性
field_infofields[fields_count]一个类会可以有个字段
u2methods_countClass 文件的方法数量
method_infomethods[methods_count]一个类可以有个多个方法
u2attributes_count此类的属性表中的属性数
attribute_infoattributes[attributes_count]属性表集合

以u1、u2、u4、u8来分别代表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。表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型,为了便于区分,所有表的命名 都习惯性地以“_info”结尾

Class类文件结构.png

魔数

每个Class文件的头4个字节被称为魔数(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Class文件。不仅是Class文件,很多文件格式标准中都有使用魔数来进行身份识 别的习惯,Class文件的魔数取得很有“浪漫气息”, 值为0xCAFEBABE(咖啡宝贝?)。

文件版本号

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、被声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译 原理方面的概念,主要包括下面几类常量:

  • 被模块导出或者开放的包(Package)
  • 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
  • 方法句柄和方法类型(Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic)
  • 动态调用点和动态常量(Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant)

常量池中每一项常量都是一个表,最初常量表中共有11种结构各不相同的表结构数据,后来为了 更好地支持动态语言调用,额外增加了4种动态语言相关的常量,为了支持Java模块化系统 (Jigsaw),又加入了CONSTANT_Module_info和CONSTANT_Package_info两个常量,所以截至JDK 13,常量表中分别有17种不同类型的常量。

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;是否定义为public类型;是否定义为abstract 类型;如果是类的话,是否被声明为final;等等。

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该类型的继承关系。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。

字段表集合

字段表用来描述类/接口中的成员变量,不是描述方法中的局部变量。下面是field_info的结构:

field_info {
  u2 access_flag;
  u2 name_index;
  u2 descriptor_index;
  attribute_info attributes[attributes_count];
}
复制代码

字段修饰符放在access_flags项目中,它与类中的access_flags项目是非常类似的,都是一个u2的数据类型。name_index是对常量池的引用,用于描述字段的名称。descriptor_index也是对常量池的引用,是字段和方法的描述符。

方法表集合

Class文件存储 格式中对方法的描述与对字段的描述采用了几乎完全一致的方式,方法表的结构如同字段表一样,依次包括访问标志(access_flags)、名称索引(name_index)、描述符索引(descriptor_index)、属性表 集合(attributes)几项。

属性表集合

属性表(attribute_info)在前面的讲解之中已经出现过数次,Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合,以描述某些场景专有的信息。与Class文件中其他的数据项目要求严格的顺序、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顺序,并且《Java虚拟机规范》允许只要不与已有属性名重复,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。

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