类文件结构-----Class类文件的结构

①无关性的基石

“与平台无关的”得理想最终实现在操作系统的应用层上：Sun公司和其他虚拟机提供商发布了许多可以在各种不同平台上的虚拟机，这些虚拟机都可以载入和执行同一种平台无关的字节码，从而实现了程序的“一次编写，处处运行”。

虚拟机的两种中立特性：一是平台无关性：字节码是构成平台无关性的基石；另一种是语言无关性，这也是要实现的，在java虚拟机上可以运行其他的语言。实现语言无关性的基础仍然是虚拟机和字节码存储格式。

虚拟机不会和任何语言绑定，它只与“Class文件”这种特定的二进文件格式所关联，Class文件中包含了Java虚拟机指令集合符号表以及若干其他辅助信息。

②Class类文件的结构

Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格的按照顺序紧凑地排列在Class文件之中，中间没有添加任何分隔符，这使得整个Class文件中存储的内容几乎全部是程序运行的必要数据。

根据java虚拟机规范，Class文件采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储结构，这种伪结构中只有两种数据类型：无符号和表

无符号属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来分别代表一个字节、两个字节、四个字节、八个字节的无符号数，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。

表时由多个无符号数或者其他表作为数据项构构成的复合数据类型，所有的表都习惯以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上就是一张表。

无论是无符号数还是表，当需要描述同一类型但数量不定的多个数据时，经常会使用一个前置的容量计数器加若干个连续的数据项的形式，这时称这一系列连续的某一类型数据为某一类型的集合。

魔数与Class文件的版本

每个Class字节的头四位称为魔数，它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机结构的Class文件。很多文件存储标准中都是用魔数来进行身份识别。

因为扩展名可以随意更改，所以使用魔数来识别安全。

Class文件的魔数的值为“0xCAFEBABE”（咖啡宝贝？），紧接着魔数四个字节存储的Class文件的版本号：第5和第6个字节是次版本号，第7和第8个字节是主版本号

常量池

Java中的常量池，实际上分为两种形态：静态常量池和运行时常量池。

所谓静态常量池，即*.class文件中的常量池，class文件中的常量池不仅仅包含字符串(数字)字面量，还包含类、方法的信息，占用class文件绝大部分空间。

而运行时常量池，则是jvm虚拟机在完成类装载操作后，将class文件中的常量池载入到内存中，并保存在方法区中，我们常说的常量池，就是指方法区中的运行时常量池。

主次版本之后是常量池入口，常量池可以理解为Class文件之中的资源仓库，它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据类型，也是占用Class空间最大的数据项目之一，同时它还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目。

由于常量池中敞亮的数量不固定，所以放置一个u2类型的常量池容量计数值（从1开始，比如，容量池容量为22，代表里面有21个常量，索引值为1到21，将0空出来可以把索引值置为0，用于满足后面某些指向常量池的索引值的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）。

切记：Class文件中只有常量池的容量计数是从1 开始。

常量池中主要存放两大类常量：字面量和符号引用。

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。

符号引用属于编译原理方面的概念，包含三类常量：类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符。

java代码在Javac编译的时候，并不像C一样有“连接”这一步骤，而是在虚拟机加载class文件时动态连接，也就是说，Class文件不会保存各个方法、字段的最终内存布局信息，因此这些方法、字段的符号引用不经过运行期转换的话无法得到真正的内存入口地址，也就无法直接被虚拟机使用，当虚拟机运行时，需要从常量池获得对应的符号引用，再在类创建时或运行时解析、翻译到具体的内存地址之中。、

常量池中的每一个常量都是一个表，在Java程序中，有很多的东西是永恒的，不会在运行过程中变化。比如一个类的名字，一个类字段的名字/所属类型，一个类方法的名字/返回类型/参数名与所属类型，一个常量，还有在程序中出现的大量的字面值。

常量池中常量项的结构总表

说明： 下图中的tag值即上图中的标志值

另外还有一个专门分析Class文件字节码的工具：javap。可以使用-verbose参数输出文件字节码内容。

访问标志（access_flags）

常量池结束后，紧接着两个字节代表访问标志，这个标志用于识别一些类或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，是否能被声明为final等。

访问标志里面一共有16个标志位可以使用，当前只定义了8个，没有使用到的标志位要求一律为0.

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文件由这三项数据来确定这个类的继承关系。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全限定名。父类索引只能有一个，除了Obejct之外，所有的类都由父类，因此所有的父类索引都不为零。接口索引集合就用来描述这个类实现了那些接口，这些被实现的接口将按implements语句后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。

父索引和接口索引在访问标志之后，各自通过一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述常量，通过常量中的索引值找到CONSTANT——Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串。

接口索引，入口的第一项-U2类型的接口计数器，表示索引表的容量，如果没有接口，计数器为0，后面的索引表不再占用任何字节。

字段表集合

用来描述接口或者类中声明的变量。字段包括类变量和实例变量，但不包括局部变量。

字段修饰符放在access_flags项目中，它与类中的access_flags项目是非常相似的，都是一个u2的数据类型．

　　字段访问标志：

接着是两项索引值：name_index  descriptor_index，是对常量池的引用，代表字段的简单名称（没有类型和参数修饰的方法或者字段名称）以及字段和方法的描述符（描述符的作用用来描述字段的数据类型，方法的参数列表和返回值）。

描述符标识字符含义：

数组类型，每一维用一个前置的“[”字符来描述，如果一个定义为“java.lang.String[][]”，将被记录为“[[ljava/lang/String;”一个整数数组“int[]”将被记录为“[I”。

用描述符来描述方法的时候，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。

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几乎采用了完全一致的方式。

方法表结构

方法这么定义，方法里的代码存放在属性表中。

属性表集合

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了一点，不再要求各个属性表具有严格顺序，并且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。

一、Code属性

java程序方法体中的代码经过javac编译器处理后，最终变成字节码指令存储在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，比如接口或者抽象类就不存在Code属性。

attribute_name_index是一项指向CONSTANT_Utf8_info常量表的索引，常量值固定为“Code”，它代表了该属性的属性名称，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是6个字节，所以属性值的长度固定为整个属性表的长度减去6个字节。
   max_stack代表了操作数栈(Operand Stacks)的最大深度。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(Frame)中的操作数栈深度。
   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表分配内存所使用的最小单位。对于byte,char,float,int,shot,boolean,reference和returnAddress等长度不超过32位的数据类型，每个局部变量占1个Slot，而double与long这两种64位的数据类型而需要2个Slot来存放。方法参数(包括实例方法中的隐藏参数“this”)，显示异常处理器的参数(Exception Handler Parameter,即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表来存放。另外，并不是在方法中使用了多个局部变量，就把这些局部变量所占的Slot之和作为max_locals的值，原因是局部变量表中的Slot可以重用，当代码执行超出一个局部变量的作用域时，这个局部变量所在的Slot就可以被其他局部变量所使用，编译器会根据变量的作用域来分类Slot并分配给各个变量使用，然后计算出max_locals的大小。

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是用于存储字节码指令的一系列字节流。既然名为字节码指令，那么每个指令就是一个u1类型的单字节，当虚拟机读取到code中的一个字节码时，就可相应地找出这个字节码代表的是什么指令，并且可以知道这条指令后面是否需要跟随参数，以及参数应该如何理解。
   关于code_length还有一件值得注意的事情，虽然它是一个u4类型的长度值，理论上最大值可以达到2的32次方减1，但虚拟机规范中限制了一个方法不允许超过65535条字节码指令，如果超过这个限制，Javac编译器就会拒绝编译。一般来讲，只要我们写Java代码时不是刻意地编写超长的方法，就不会超过这个最大值限制。但是，在编译复杂的JSP文件中，可以会因为这个原因导致编译失败。
   Code属性是Class文件中最重要的一个属性，如果表一个Java程序中的信息分为代码(Code，方法体里的Java代码)和元数据(Metadata，包括类、字段、方法定义及其它信息)两部分，那么在整个Class文件里，Code属性用于描述代码，其它的所有数据项目就都用于描述元数据。
   在字节码指令之后的是这个方法的显示异常处理表，异常表对于Code属性表来说不是必须存在的。异常表的格式如下表：

异常表它包含4个字段，这些字段的含义为：如果字节码从第start_pc到end_pc行之间(不包含第end_pc)行出现了类型为catch_type或其子类的异常(catch_type为指向一个CONSTANT_Class_info型常量的索引)，则转到第handler_pc行继续处理。当catch_type的值为0时，代表任何的异常情况都需要转向到handler_pc行行进行处理。异常表实际上是Java代码的一部分，编译器使用异常表而不是简单的跳转命令来实现Java异常及finally处理机制。注：字节码的“行”是一种形象的描述，指的是字节码相对于方法体开始的偏移量，而不是Java源代码的行号。

2.Exceptions属性
   这里的Exceptions属性是在方法表中与Code属性平级的一项属性，而不是Code属性表中的异常属性表。Exceptions属性表的作是列举出方法中可能抛出的受查检(Checked Exception)，也就是在方法描述时在throws关键字后面列举的异常。它的结构如下表：

此属性表中的number_of_exceptions项表示访求可能抛出number_of_exceptions种受检查异常，每一种受检查异常使用一个exception_index_table项表示，为指向常量池中CONSTANT_Class_info型常量表的索引，代表了该受检查异常的类型。

3.LineNumberTable属性
  LineNumberTable属性用于描述Java源代码行号与字节码行号(字节码偏移量)之间的对应关系。它并不是运行时必须的属性，但默认会生成到Class文件之中，可以在Javac中使用-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属性表，对程序运行产生的最主要的影响就是在抛出异常时，堆栈中将不会显示出错的行号，并且在调试程序的时候无法按照源码来设置断点。LineNumberTable属性表结构如下表：

line_number_table是一个数量为line_number_table_length，类型为line_number_info的集合，line_number_info表包括了start_pc和line_number两个u2类型的数据项，前者是字节码行号，后者是Java源码行号。

4.LocalVariableTable属性
   LocalVariableTable属性表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，它不是运行时必须的属性，默认也不会生成到Class文件之中，可以使用-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它人引用这个方法时，所有参数名称都丢失，IDE可能会使用诸如arg0、arg1之类的占位符来替换原有的参数名称，这对程序运行没有影响，但是会给代码编写带来较大的不便，而且在调试期间无法根据参数名称从运行上下文件中获取参数值。LocalVariableTable属性表结构如下：

   其中local_variable_info项目代表了一个栈帧与源码中的局部变量的关联，结构如下：

   index是这个局部变量在栈帧局部变量表中的Slot位置。当这个变量的数据类型是64位时(double和long)，它占用的Slot为index和index+1两个位置。
   在JDK1.5引入了泛型之后，LocalVariableTable属性增加了一个“姐妹”属性：LocalVaiableTypeTable，这个新增加的属性结构与LocalVariableTable属性非常相似，仅仅是把记录字段描述符的descript_index替换成了字段的特征签名(Singnature)，对于非泛型类型来说，描述符的参数化类型被擦除掉了，描述符就不能准确地描述泛型类型了，因此出现了LocalVariableTypeTable属性。

5.SourceFile属性
  SourceFile属性用于记录这生成这个Class文件的源码文件名称。这个属性也是可选的，可以使用-g:none或-g:source选项来取消或要求生成这项信息。在Java中，对于大多数的类来说，类名和文件是一致的，但有一些特殊情况(如内部类)例外。如果不生成这项属性，当招聘异常时，堆栈中半不会显示出错误代码所属性文件名。这个属性是一个室长的属性，结构如下：

sourcefile_index数据项是指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，常量值是源文件的文件名。

6.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关键字修饰的变量才可以使用这项属性。在Java程序里类类似“int x = 123“和”static int x = 123”这样的变量定义非常常见，但虚拟机对这两种变量赋值的方法和时刻有所不同。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<init>方法中进行的；对于类变量，则有两种式可以选择：赋值在类构造器<clinit>方法中进行，或者使用ConstantValue属性来赋值。目前Sun Javac编译器的选择是：如果同时使用final和static来修改一个变量，并且这个变量的数据类型是基本类型或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，或者并非基本类型或字符串，则选择在<client>类构造器中进行初始化。ConstantValue属性表结构如下：

ConstantValue属性是一个定长属性，它的attribute_length数据项值必须为2。constantvalue_index数据项代表了常量池中一个字面常量的引用，根据字段类型不同，字面量可以是CONSTANT_Long_info,CONSTANT_Float_info,CONSTANT_Double_info,CONSTANT_Integer_info和CONSTANT_String_info常量中的一种。

7.InnerClasses属性
  InnerClasses属性表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，那么编译器将会为它及它所包含的内部类生成InnerClasses属性表。表结构如下：

   数据项number_of_classes代表需要记录多少个内部类信息，每一个内部类的类的信息都由一个inner_class_info表进行描述。inner_class_info表结构如下：

   inner_class_info_index和outer_class_info_index都是指向常量池中CONSTANT_Class_infon常量的索引，分别代表了内部类和宿主类的符号引用。inner_name_index是指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，代表这个内部类的名称，如果是匿名内部类，则这项值为0。inner_class_access_flags是内部类的访问标志，类型于类的access_flags，它的取值范围如下表：

8.Deprecated及Synthetic属性
   Deprecated及Synthetic属性都属性于标志类型的布尔值属性，只存在有和没有的区别，没有属性值的概念。
   Deprecated属性用于表示某个类，字段或方法，已经被程序作者定为不再推荐使用，它可以通过代码中使用@Deprecated注解进行设置。
   Synthetic属代表此字段或方法并不是由Java源码直接产生的，而是由编译器自行添加的，在JDK1.5之后，标识一个类，字段或方法是编译器自动产生的，也可以设置它们访问标志中的ACC_SYNTHETIC标志位，其中最典型的就是Bridge Method。所有非用户代码生产的类，方法及字段都应当至少设置Synthetic属性和ACC_SYNTHETIC标志位中的一项，唯一的例外是实例构造器“<init>”方法和类构造器“<clinit”方法。
   Deprecated及Synthetic属性表结构如下：

其中attribute_length数据项的值必须为0，因为没有任何属性值需要设置。

在JDK1.5和JDK1.6中一共增加了10项属性，具体如下：