《深入理解java虛擬機器》筆記——簡析java類檔案結構
一直不太搞得明白jvm到底是如何進行類載入的，在看資料的過程中迷迷糊糊，在理解類載入之前，首先看看java的類檔案結構到底是怎樣的，都包含了哪些內容。
我寫了一個最簡單的java程式，根據這個程式來分析一下.class檔案中到底都存了些什麼。
java程式：
class Par {
public int x = 5;
public void f(){
System.out.println("par static");
}
}
class Sub extends Par{
public int x = 6;
public 生成的.class檔案內容
cafe babe 0000 0033 0027 0a00 0900 1207
0013 0a00 0200 1209 0014 0015 0900 1600
170a 0018 0019 0a00 1600 1 使用javap反彙編一下生成的.class檔案(javap -v com.thinkinginjava.Test)
Classfile /E:/Workspaces/MyEclipse/websocketTest/src/com/thinkinginjava/Test.cla
ss
Last modified 2016-4-2; size 513 bytes
MD5 checksum 32ca9f73cf634398be1085454c6b21c3
Compiled from "Test.java"
public class com.thinkinginjava.Test
SourceFile: "Test.java"
minor version: 0
major version: 51
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #9.#18 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Class #19 // com/thinkinginjava/Sub
#3 = Methodref #2.#18 // com/thinkinginjava/Sub."<init>":()V
#4 = Fieldref #20.#21 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#5 = Fieldref #22.#23 // com/thinkinginjava/Par.x:I
#6 = Methodref #24.#25 // java/io/PrintStream.println:(I)V
#7 = Methodref #22.#26 // com/thinkinginjava/Par.f:()V
#8 = Class #27 // com/thinkinginjava/Test
#9 = Class #28 // java/lang/Object
#10 = Utf8 <init>
#11 = Utf8 ()V
#12 = Utf8 Code
#13 = Utf8 LineNumberTable
#14 = Utf8 main
#15 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#16 = Utf8 SourceFile
#17 = Utf8 Test.java
#18 = NameAndType #10:#11 // "<init>":()V
#19 = Utf8 com/thinkinginjava/Sub
#20 = Class #29 // java/lang/System
#21 = NameAndType #30:#31 // out:Ljava/io/PrintStream;
#22 = Class #32 // com/thinkinginjava/Par
#23 = NameAndType #33:#34 // x:I
#24 = Class #35 // java/io/PrintStream
#25 = NameAndType #36:#37 // println:(I)V
#26 = NameAndType #38:#11 // f:()V
#27 = Utf8 com/thinkinginjava/Test
#28 = Utf8 java/lang/Object
#29 = Utf8 java/lang/System
#30 = Utf8 out
#31 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#32 = Utf8 com/thinkinginjava/Par
#33 = Utf8 x
#34 = Utf8 I
#35 = Utf8 java/io/PrintStream
#36 = Utf8 println
#37 = Utf8 (I)V
#38 = Utf8 f
{
public com.thinkinginjava.Test();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 24: 0
public static void main(java.lang.String[]);
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=1
0: new #2 // class com/thinkinginjava/Sub
3: dup
4: invokespecial #3 // Method com/thinkinginjava/Sub."<init>":()V
7: astore_1
8: getstatic #4 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
11: aload_1
12: getfield #5 // Field com/thinkinginjava/Par.x:I
15: invokevirtual #6 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
18: aload_1
19: invokevirtual #7 // Method com/thinkinginjava/Par.f:()V
22: return
LineNumberTable:
line 27: 0
line 28: 8
line 29: 18
line 30: 22
}根據java虛擬機器規範，首先介紹一下Class 檔案格式
“Class檔案格式採用一種類似於C語言結構體的偽結構來儲存資料，這種偽結構只有兩種資料型別：無符號數和表。”
無符號數屬於基本的資料結構，以u1,u2,u4,u8來分別代表1個位元組，2個位元組，4個位元組和8個位元組的無符號數；
表是由多個無符號數或者其他表作為資料項構成的複合資料型別，表都習慣性的以“_info”結尾。
Class檔案結構
ClassFile {
u4 magic;//魔數
u2 minor_version;//次版本號
u2 major_version;//主版本號
u2 constant_pool_count;//常量池容量計數
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
u2 access_flags;//訪問標誌
u2 this_class;//類索引
u2 super_class;//父類索引
u2 interfaces_count;//介面索引數
u2 interfaces[interfaces_count];//介面索引集合
u2 fields_count;//欄位數
field_info fields[fields_count];
u2 methods_count;//方法數
method_info methods[methods_count];
u2 attributes_count;//屬性數
attribute_info attributes[attributes_count];
}
一個個來分析：
魔數、主次版本號
我本地的是JDK 1.7.0的，所以是主次版本號是 00 00 00 33，不同的jdk版本生成的版本號不同。
常量池
在主次版本號後面的就是常量池入口，由於常量池的數量是不固定的，所以在常量池的入口需要放置一項u2型別的資料，代表常量池容量計數值
可見當前的計數值為0x0027 ，即39，這代表常量池中有38項常量，索引號為1-38，Class檔案只有常量池的容器技術是從1開始的
從之前的反彙編程式碼中也可以看到，常量池中確實有38項
常量池中主要有3類常量：
- 類和介面的全限定名
- 欄位的名稱和描述符
每一種常量都有它的結構，例如：
CONSTANT_Class_info {
u1 tag; //標誌，佔1個位元組 07
u2 name_index;//指向全限定名常量項的索引
}
CONSTANT_Utf8_info {
u1 tag;//標誌 01
u2 length;//UTF-8編碼的字串佔用的位元組數
u1 bytes[length];//長度為length的UTF-8編碼的字串
}
。。。。每一項可具體參考官方文件
舉幾個例子：
CONSTANT_MethodHandle_info {
u1 tag; //標誌 10
u1 reference_kind; //指向宣告方法的類描述符的CONSTANT_Class_info的索引項
u2 reference_index;//指向名稱及型別描述符CONSTANT_NameAndType的索引項
}
tag：0a
reference_kind：0x0009
reference_index：0x0012
CONSTANT_Utf8_info {
u1 tag;//標誌 01
u2 length;//UTF-8編碼的字串佔用的位元組數
u1 bytes[length];//長度為length的UTF-8編碼的字串
}
tag: 01
length: 6
bytes[length]:具體對應的編碼 3c 69 6e 69 74 3e
可以看到，常量區總共有38項，在.class檔案中的表示如下圖所示，按照上面的分析即可分析出每個常量對應的是哪些16進位制位
訪問標記
分析完常量池，在常量池結束後，緊跟著的兩個位元組代表訪問標誌，這個標誌用於識別一些類或者介面層次的訪問資訊。
（直接截圖了。。。）
從程式碼中可以分析出，我寫的java程式的訪問標誌位0x0021，即ACC_PUBLIC、ACC_SUPER標誌位真，其餘標誌為假，因此access_flags的值為0x0001 | 0x0020 = 0x0021（或運算即可算出是哪幾個標誌為真，哪幾個為假），如下圖所示。
類索引、父類索引與介面索引集合
類索引、父類索引和介面索引集合都按順序排列在訪問標記之後。
類索引（this_class）和父類索引（super_class）都是一個u2型別的資料，介面索引集合是一組u2型別的集合。
- 類索引用於確定這個類的全限定名
父類索引用於確定這個類的父類的全限定名
對於介面索引集合，入口第一項u2型別的資料為介面計數器（interface_count）,表示索引表的容量。，沒有實現任何介面，則計數為0，後面介面的索引表不再佔用任何位元組。
如下圖所示，類索引對應0x0008，即com/thinkinginjava/Test類，父類索引為Object類，0x0009即指向java/lang/Object
欄位表集合
欄位表用於標書介面或者類中宣告的變數。欄位包括類級變數以及例項級變數，但不包括在方法內部宣告的區域性變數。
java中描述一個欄位包含的資訊有：
- 欄位的作用域（public，protected，private）
- 例項變數還是類變數（static）
- 可變性（final）
- 併發可見性（volatile）
- 可否序列化（transient）
- 欄位資料型別（基本型別，物件，陣列）
欄位名稱
關於欄位表可以參考這篇博文看看
因為我的程式中Test類中沒有定義欄位，所以結果顯示為0x0000，如下圖
方法表集合
緊接著欄位表的是方法表集合，理解了欄位表看方法表就相對簡單了
方法表的結構與欄位表一樣，依次包括了訪問標誌（access_flags）、名稱索引(name_index)、描述符索引（descriptor_index）、屬性表集合（attributes）幾項
官方文件
method_info {
u2 access_flags;
u2 name_index;
u2 descriptor_index;
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
方法訪問標誌：
分析一下位元組碼：
- 方法表集合的計數器值為0x0002，代表集合中有兩個方法（一個是編譯去新增的例項構造器
<init> 和原始碼中的main方法） - 第一個方法的訪問標誌為0x0001，即只有ACC_PUBLIC標誌為真
- 名稱索引值為0x000a，查詢常量池可得方法名為
<init> - 描述符索引值為0x000b，對應常量為”()V”
- 屬性表計數器值為0x0001，表示有一個屬性，對應的屬性名稱索引為0x000c，對應常量為“Code”，說明此屬性時方法的位元組碼描述。
屬性表集合
官方文件
屬性表在之前出現過多次了，在Class檔案、欄位表、方法表中都可以攜帶自己的屬性表集合，用於描述某些場景專有的資訊。
對於每個屬性，它的名稱需要從一個常量池中引用一個CONSTANT_Utf8_info型別的常量來表示，而屬性值的結構則是完全自定義的，只需要通過一個u4的長度屬性去說明屬性值所佔用的位數即可。
屬性表結構如下所示：
attribute_info {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length;
u1 info[attribute_length];
}
舉幾個例子：
1.Code屬性
java方法體中的程式碼經過javac編譯處理後，最終會變成位元組碼指令儲存在Code屬性內。Code屬性出現在方法表的屬性集合之中，但並非所有的方法表都必須存在這個屬性，譬如介面或者抽象類中的方法就不存在Code屬性，如果Code屬性存在，那麼它的結構如下所示：
Code_attribute {
u2 attribute_name_index; //指向CONSTANT_Utf8_info型常量的索引
u4 attribute_length; //屬性值的長度
u2 max_stack; //運算元棧深度的最大值
u2 max_locals; //區域性變量表所需的儲存空間
//code_length和code用來儲存java源程式編譯後生成的位元組碼指令
u4 code_length; //位元組碼長度
u1 code[code_length]; //儲存位元組碼指令的一系列位元組流
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];
}
分析一下位元組碼：
- 由上面方法表的分析，第一個
<init> 方法對應的屬性名為Code，其值為0x000c - 緊接著為attribute_length，表示屬性值的長度，其值為0x0000001d
- 接著為max_stack，表示運算元棧深度的最大值，其值為0x0001
- 接著為max_locals, 表示區域性變量表所需的儲存空間，其值為0x0001
- 接著為code_length，佔4個位元組，表示位元組碼長度，其值為0x00000005
- 緊接著讀入跟隨的5個位元組，根據位元組碼指令表翻譯出對應的位元組碼指令。翻譯“2a b7 00 01 b1”過程：
1）讀入2a，對用指令aload_0
2）讀入b7，對應指令invokespecial
3）讀入00 01，這是invokespecial的引數，為常量池中0x0001對應的常量
4）讀入b1，對應的指令為return
- 接著為exception_table_length，此處為0，沒有異常
- 接著為attribute_count，代表這個Code中有1個屬性
然後就是這個屬性的描述啦，索引號為0x000d，找到對應的常量池索引號，為LineNumberTable，so，這個屬性是LineNumberTable，那麼看一下LineNumberTable屬性結構：
LineNumberTable屬性LineNumberTable_attribute { u2 attribute_name_index; //屬性名索引 u4 attribute_length; //屬性長度 u2 line_number_table_length; { u2 start_pc; //位元組碼行號 u2 line_number; //java原始碼行號 } line_number_table[line_number_table_length]; }從class檔案中可以看出，
attribute_name_index為0x000d，
attribute_length為0x00000006，
line_number_table_length為0x0001，
start_pc為0x0001
line_number為0x0018
正好對應了LineNumberTable: line 24: 0到此為止，一個
<init> 方法分析完了，包括了它包含的屬性。
之前說了，該程式共有2個方法，還有一個為main函式，對它的分析跟上面一樣，不做分析了
