Java9之class文件格式变动

Java9之class文件格式变动

Java9已经于2017年09月27日发布。Java9引入了很多新特性，其中最重要的特性，或者说最大的变化，无疑就是模块化了。为了支持模块化，Java从方方面面都进行了改进，包括class文件格式。已经有很多文章介绍Java9模块化，因此本文并不打算成为另一篇模块化入门文章。本文主要介绍Java9相较Java8在class文件格式方面的变动。

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测试代码

本文将基于模块mymod进行讨论，目录结构如下所示：

j9cf
└── src
    └── mymod
        ├── a
        │   └── b
        │       ├── MyImpl.java
        │       ├── MyService.java
        │       └── c
        │           └── HelloWorld.java
        └── module-info.java

其中a.b包里定义了MyService和MyImpl两个类，代码如下所示：

package a.b;
public class MyService {}

package a.b;
public class MyImpl extends MyService {}

a.b.c包里定义了HelloWorld主类，代码如下所示：

package a.b.c;
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

module-info.java文件则对mymod模块进行定义，代码如下所示：

module mymod {
    requires java.base;
    requires static java.sql;
    requires transitive java.xml;
    exports a.b.c;
    exports a.b to java.sql, java.xml;
    opens a.b to java.sql, java.xml;
    uses a.b.MyService;
    provides a.b.MyService with a.b.MyImpl;
}

使用下面的命令对模块进行编译：

cd j9cf
path/to/java9/bin/javac \
    -d mods --module-source-path src \
    src/mymod/module-info.java \
    src/mymod/a/b/c/HelloWorld.java

使用下面的命令将模块打包成jar格式：

cd j9cf
path/to/bin/jar --create \
    --file mymod-1.0.jar \
    --main-class a.b.c.HelloWorld \
    --module-version 1.0 \
    -C mods/mymod .

上面两个命令执行完之后，j9cf目录结构如下所示：

j9cf
├── mymod-1.0.jar
├── mods
│   └── mymod
│       ├── a
│       │   └── b
│       │       ├── MyImpl.class
│       │       ├── MyService.class
│       │       └── c
│       │           └── HelloWorld.class
│       └── module-info.class
└── src
    └── mymod
        ├── a
        │   └── b
        │       ├── MyImpl.java
        │       ├── MyService.java
        │       └── c
        │           └── HelloWorld.java
        └── module-info.java

class文件查看工具

Java自带了命令行工具javap，可以反编译并分析class文件格式。不过为了更直观的观察class文件，本文使用图形化工具classpy。

class文件格式变动

class文件格式主要在四个方面有变动：版本号、类存取标志、常量池、类属性，下面分别进行介绍。

版本号

class文件大版本号由Java8的52（0x34）增加到了53（0x35），如下图所示：

类存取标志

类的存取标志（access_flags）新增加了ACC_MODULE（0x8000）标志位，表示class文件描述的是一个模块，如下所示：

常量池

常量池增加了CONSTANT_Module_info和CONSTANT_Package_info两种常量。

CONSTANT_Module_info

CONSTANT_Module_info的tag值是19，表示一个模块，其结构如下所示：

CONSTANT_Module_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

比如mymod模块module-info.class文件常量池的第15个常量就是一个CONSTANT_Module_info常量，表示mymod模块自己，如下图所示：

CONSTANT_Package_info

CONSTANT_Package_info的tag值是20，表示模块输出（Export）或者打开（Open）的包，其结构和CONSTANT_Module_info一样，如下所示：

CONSTANT_Package_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

比如mymod模块module-info.class文件常量池的第7个常量就是一个CONSTANT_Package_info常量，表示a.b包，如下图所示：

类属性

增加了三个预定义属性：Module_attribute、ModulePackages_attribute和ModuleMainClass_attribute。

ModulePackages_attribute

ModulePackages_attribute属性记录和模块相关（比如输出或使用等）的包，结构如下所示：

ModulePackages_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;

    u2 package_count;
    u2 package_index[package_count];
}

其中package_index是个u2表，表里的每个u2值都是常量池索引，并且索引指向的一定是CONSTANT_Package_info常量。mymod模块module-info.class文件的ModulePackages_attribute属性如下图所示：

ModuleMainClass_attribute

ModuleMainClass_attribute属性记录模块主类，结构如下所示：

ModuleMainClass_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;

    u2 main_class_index;
}

其中main_class_index是指向CONSTANT_Class_info常量的索引。mymod模块module-info.class文件的ModuleMainClass_attribute属性如下图所示：

Module_attribute

Module_attribute属性比较复杂，结构如下所示：

Module_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;

    u2 module_name_index;
    u2 module_flags;
    u2 module_version_index;

    u2 requires_count;
    {   u2 requires_index;
        u2 requires_flags;
        u2 requires_version_index;
    } requires[requires_count];

    u2 exports_count;
    {   u2 exports_index;
        u2 exports_flags;
        u2 exports_to_count;
        u2 exports_to_index[exports_to_count];
    } exports[exports_count];

    u2 opens_count;
    {   u2 opens_index;
        u2 opens_flags;
        u2 opens_to_count;
        u2 opens_to_index[opens_to_count];
    } opens[opens_count];

    u2 uses_count;
    u2 uses_index[uses_count];

    u2 provides_count;
    {   u2 provides_index;
        u2 provides_with_count;
        u2 provides_with_index[provides_with_count];
    } provides[provides_count];
}

Module_attribute属性虽然结构复杂，但其实就是module-info.java文件中模块定义里requires、exports、opens、uses和provides语句的直接映射。mymod模块module-info.class文件的Module_attribute属性总体如下图所示：

requires语句对应的部分如下图所示：

exports语句对应的部分如下图所示：

opens语句对应的部分如下图所示：

uses语句对应的部分如下图所示：

provides语句对应的部分如下图所示：

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以上Java9在class文件方面的变动就介绍完了，如果想深入了解Java8的class文件格式，请关注自己动手写Java虚拟机 这本书 ：）