class字节码文件格式详解

高级架构师之路bytejava
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class字节码文件格式

掌握jvm 字节码，最关键的是学习class文件格式以及字节码指令集等细节，今天我们来学习class字节码文件格式(jdk8版本)。

Java代码经过javac编译器编译成class文件，JVM虚拟机读取class文件执行其中的代码。

通过JVM虚拟机规范，实现了jvm跨平台、跨语言的能力，JVM规范中非常重要的一部分就是class字节码文件格式。

class文件结构

class文件的整体结构如下图所示，其中u1,u2,u4分别表示1个、2个、4个字节长度的无符号数据，无符号byte数据按照具体的场景可以用来表示数字、字符等。 结构中还可以使用复合结构，比如cp_info, cp_info结构也会在规范中进行定义。

ClassFile {
       u4             magic;
       u2             minor_version;
       u2             major_version;
       u2             constant_pool_count;
       cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];
       u2             access_flags;
       u2             this_class;
       u2             super_class;
       u2             interfaces_count;
       u2             interfaces[interfaces_count];
       u2             fields_count;
       field_info     fields[fields_count];
       u2             methods_count;
       method_info    methods[methods_count];
       u2             attributes_count;
       attribute_info attributes[attributes_count];
}

magic

魔法字符串，固定为0xCAFEBABE

minor_version, major_version

分别是class文件的小版本号和大版本号，jvm规范要求运行的jvm版本必须大于等于（更严格说是能支持，不过目前大于等于即可）class文件的major_version才能运行，否则抛出异常。

constant_pool_count

常量池数量，是下面的常量池表的长度加一，因为index=0的常量引用没有使用。

constant_pool[]

常量池表，每个常量池的结构cp_info如下，常量池可以表示字符串常量、类名、接口名、方法等信息，这些常量池会在class文件中其他地方进行引用（比如字段中字段类型、字段名等）。 常量通过index进行引用，常量之间也可以通过index进行引用。

cp_info中的tag字段用来标识当前的常量类型，不同的常量类型有不同的子结构，然后就可以用具体的结构来解析info[]这个byte数组。 常量的结构有，

cp_info {
    u1 tag;
    u1 info[];
}
Constant typetag value
CONSTANT_Class7
CONSTANT_Fieldref9
CONSTANT_Methodref10
CONSTANT_InterfaceMethodref11
CONSTANT_Integer3
CONSTANT_Float4
CONSTANT_Long5
CONSTANT_Double6
CONSTANT_NameAndType12
CONSTANT_Utf81
CONSTANT_MethodHandle15
CONSTANT_MethodType16
CONSTANT_InvokeDynamic18

我们提前查看一下各个常量类型的结构，给后面介绍Field, Method做铺垫。

CONSTANT_Class_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

CONSTANT_Class_info

CONSTANT_Class_info表示类或接口

CONSTANT_Class_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

tag: 是CONSTANT_Class对应的值(7) name_index: name_index是这个类或接口的类名的字符串常量的index

CONSTANT_Fieldref_info, CONSTANT_Methodref_info, CONSTANT_InterfaceMethodref_info

CONSTANT_Fieldref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

CONSTANT_Methodref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

CONSTANT_InterfaceMethodref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

字段引用、方法引用、接口方法引用这三个结构比较类似，都是各自的tag以及class_index和name_and_type_index

class_index: 这个字段、方法所在类的class的常量的index

name_and_type_index: 这个字段的名称和类型结构常量CONSTANT_NameAndType_info的index。name分别是字段名和方法名，类型是字段、方法的descriptor描述符。

CONSTANT_String_info

字符串常量结构

string_index: 指向CONSTANT_Utf8_info的index

CONSTANT_String_info {
    u1 tag;
    u2 string_index;
}

CONSTANT_Integer_info, CONSTANT_Float_info

整数和浮点数常量结构，对应的数值占用4个字节。

CONSTANT_Integer_info {
    u1 tag;
    u4 bytes;
}

CONSTANT_Float_info {
    u1 tag;
    u4 bytes;
}

CONSTANT_Long_info, CONSTANT_Double_info

这两个常量结构分别存储long和double类型的数值，大小占用8个字节 high_bytes和low_bytes分别表示高位和低位的数据，以long为例，对应值为((long) high_bytes << 32) + low_bytes

CONSTANT_Long_info {
    u1 tag;
    u4 high_bytes;
    u4 low_bytes;
}

CONSTANT_Double_info {
    u1 tag;
    u4 high_bytes;
    u4 low_bytes;
}

CONSTANT_NameAndType_info

CONSTANT_NameAndType_info常量用来表示名称和类型，在前面的CONSTANT_Fieldref_info, CONSTANT_Methodref_info, CONSTANT_InterfaceMethodref_info 常量中有使用，结构如下

CONSTANT_NameAndType_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
    u2 descriptor_index;
}

name_index: 指向对应名称的utf8常量的CONSTANT_Utf8_info的index descriptor_index: 指向类型描述符的CONSTANT_Utf8_info的index。

Field Descriptor和Method Descriptor

在jvm中，数据分为primitive type(基本类型，比如int, long)和reference type（引用类型），类型的描述符规则如下

类型描述符
byteB
charC
doubleD
floatF
intI
longJ
shortS
booleanZ
reference,引用类型LClassName;
数组[

引用类型的ClassName是/间隔的字符串，比如java.lang.String的描述符为Ljava/lang/String; 数组是在对应的类型前加[，比如int[]描述符为[I, String[]描述符为[Ljava/lang/String;, 多维数组距离 int[][]描述符为[[I

Field Descriptor是对应字段的类型的描述符 Method Descriptor为( {ParameterDescriptor} ) ReturnDescriptor，比如public String test(int a, Long b)的方法描述符为(ILjava/lang/Long)Ljava/lang/String;，如果返回值是void，则使用V

CONSTANT_Utf8_info

CONSTANT_Utf8_info常量存储utf8编码的字符串内容，包含一个字符串长度字段和对应长度的byte数组。

CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag;
    u2 length;
    u1 bytes[length];
}

class access_flags

access_flags用来表示当前类的一些bit信息（类似bitmap），这样用2个字节的空间就可以表示16个标记信息。

Flag NameValue表头
ACC_PUBLIC0x0001表示当前类/接口是否是public
ACC_FINAL0x0010是否声明了final
ACC_SUPER0x0020都是true, 为了兼容旧版本的字节码的标记
ACC_INTERFACE0x0200是否是接口
ACC_ABSTRACT0x0400是否是抽象类，接口也是抽象类
ACC_SYNTHETIC0x1000表示不是代码中生成的类，比如jdk为实现lambda表达式在运行时生成的一些类
ACC_ANNOTATION0x2000是否是@interface这样的注解类
ACC_ENUM0x4000是否枚举类

Fields

Fields是field_info的数组，每个field_info结构如下。

field_info {
    u2             access_flags;
    u2             name_index;
    u2             descriptor_index;
    u2             attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

access_flags: 字段的access_flags，和class的access_flags类似，用来描述字段的public,private,volatile等等标识信息。

Flag NameValue描述
ACC_PUBLIC0x0001是否是public字段
ACC_PRIVATE0x0002是否是private字段
ACC_PROTECTED0x0004是否是static字段
ACC_STATIC0x0008是否是static字段
ACC_FINAL0x0010是否是final字段
ACC_VOLATILE0x0040是否是volatile字段
ACC_TRANSIENT0x0080是否是transient字段
ACC_SYNTHETIC0x1000单元格
ACC_ENUM0x4000单元格

name_index: 字段名称的CONSTANT_Utf8_info常量index descriptor_index: 字段类型描述符的CONSTANT_Utf8_info常量index attributes_count: 字段的属性数量 attributes: 字段的属性，结构为attribute_info，比如ConstantValue，描述常量字段的常量值，属性的结构稍后介绍。

Methods

类中所有的方法包括构造函数(<init>)、静态初始化方法(<clinit>)，都使用method_info结构，在一个类中，方法名称和方法签名联合起来必须唯一

method_info {
    u2             access_flags;
    u2             name_index;
    u2             descriptor_index;
    u2             attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

access_flags: 方法的标识数据，包括public, private, synchronized等等信息

Flag NameValue描述
ACC_PUBLIC0x0001public方法
ACC_PRIVATE0x0002private方法
ACC_PROTECTED0x0004protected方法
ACC_STATIC0x0008static方法
ACC_FINAL0x0010final方法
ACC_SYNCHRONIZED0x0020synchronized方法（方法维度的synchronized声明，不同于synchronized代码块的monitor_enter和monitor_exit)
ACC_BRIDGE0x0040是否是transient字段
ACC_VARARGS0x0080有可变参数的方法
ACC_NATIVE0x0100native方法
ACC_ABSTRACT0x0400抽象方法
ACC_STRICT0x0800浮点数模式是FT-strict的，这个很少见
ACC_SYNTHETIC0x1000是否是合成方法，即不再源代码中的方法

name_index: 指向方法名的CONSTANT_Utf8_info常量 descriptor_index: 指向方法描述符的CONSTANT_Utf8_info常量 attributes_count: 方法的属性数量 attributes[]: 方法的各个属性，其中比较关键的是名字为Code的属性，包含的是方法体的字节码指令。

Attributes属性

Attributes属性在classfile, field_info, method_info中都有使用，结构如下

attribute_info {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u1 info[attribute_length];
}

attribute_name_index: 指向属性的名称的CONSTANT_Utf8_info常量 attribute_length: 属性信息的字节长度，即info的长度 info[]: 属性的具体信息，每种属性有自己的结构

属性有ConstantValue,Code,StackMapTable,Exceptions,BootstrapMethods等等很多种属性，我们这里重点介绍一下ConstantValue和Code。

ConstantValue属性

常量值属性用来表示常量字段的常量值，数值（int,long,float等）和字符串字段能够声明成常量。

ConstantValue_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 constantvalue_index;
}

attribute_name_index: 指向"ConstantValue"的CONSTANT_Utf8_info attribute_length: 2，因为constantvalue_index是两个byte长度的index constantvalue_index: 指向具体的常量池中的常量，按照类型不同分为CONSTANT_Long,CONSTANT_Float,CONSTANT_Double,CONSTANT_Integer(int, short, char, byte, boolean都用CONSTANT_Integer),CONSTANT_String,

Code属性

Code属性用来表示方法体中的代码字节码。

Code_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 max_stack;
    u2 max_locals;
    u4 code_length;
    u1 code[code_length];
    u2 exception_table_length;
    {   u2 start_pc;
        u2 end_pc;
        u2 handler_pc;
        u2 catch_type;
    } exception_table[exception_table_length];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

attribute_name_index: 指向"Code"的CONSTANT_Utf8_info常量 attribute_length: 后面所有的字段信息的字节数 max_stack: 方法的字节码指令执行过程中需要的操作数栈的最大栈层数，关于方法字节码指令的执行，在字节码指令文章中进行介绍。 max_locals: 方法的字节码指令执行过程中需要的本地变量表的最大长度（注意局部变量表的元素长度是4字节，long和double变量在局部变量表中占两个位置） code_length: 方法体的字节码的长度 code[]: 方法体的字节码 exception_table_length: 异常表的长度 exception_table[]: 异常表数组，每个异常表包含start_pc,end_pc,handler_pc,catch_type。pc是指code[]数组中的索引，也就是从code[]字节码数组start_pc(包含)到end_pc(不包含)中的字节码执行时出现catch_type(指向异常类的CONSTANT_Class_info常量)异常，则转到code[]的handler_pc位置来处理异常。 attributes_count: Code属性的数量 attributes[]: Code属性数组，比如LineNumberTable，LocalVariableTable, LocalVariableTypeTable, StackMapTable

其他的属性可以参考jvm规范

如何解析class文件

假如我们现在有一个class文件，想去查看其中的Java源代码，该如何实现呢？有如下几种方法。

通过javap

javap是jdk里自带的反编译工具，可以打印出更加可读的class字节码信息。

javap -c -cp /Users/liuzhengyang/Code/work/code-test/target/classes/ test.Test

Compiled from "Test.java"
public class test.Test {
  public test.Test();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public java.lang.String hello();
    Code:
       0: ldc           #2                  // String hello world
       2: areturn
}

javap参数说明

参数说明
-cp指定classpath, javap需要到classpath中寻找class文件
-p默认情况下javap不打印出private的方法、字段，通过-p可以打印全部信息
-c默认情况下javap不打印出方法的body字节码，通过-c可以打印
-v打印最全的信息，包括常量池、方法stack size、方法本地变量表等等

通过IDEA反编译

把class文件拖动到IDEA中即可查看到反编译的java代码结果，相比javap更加易读。

通过arthas jad命令

如果要查看运行中的程序中使用到的代码，可以使用arthas的jad命令。

更多资料

更详细的资料包括java语言规范、java虚拟机规范可以在Java Language and Virtual Machine Specifications中找到

总结

本篇文章介绍了class文件的结构，包括常量池、字段、方法、属性等，详细了解了每个数据的结构，最后了解查看class文件的几种方式。

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