Java Class文件结构

Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流。当遇到需要占用8位字节以上空间的数据项时，则会按照【高位在前】的方式分割成若干个8位字节进行存储，按照Java虚拟机规范的规定，Class文件结构只有两种数据类型：无符号数和表

1. 无符号数

• 无符号数属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节，2个字节，4个字节，8个字节的无符号数。
• 无符号数可用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值。

2. 表

• 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，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。由以下数据项构成

类型	名称	数量
u4	magic	1
u2	minor_version	1
u2	major_version	1
u2	constant_pool_count	1
cp_info	constant_pool	constant_pool_count-1
u2	access_flag	1
u2	this_class	1
u2	super_class	1
u2	interfaces_count	1
u2	interfaces	interfaces_count
u2	fields_count	1
field_info	fields	fields_count
u2	methods_count	1
method_info	methods	methods_count
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

2.1 魔数

• 每个Class文件的头4个字节成为魔数（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，为0xCAFEBABE

2.2 版本号

• 紧接着魔数的这个字节存储的是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）
• Java的版本号是从45开始的

2.3 常量池

• 占用Class文件空间最大的数据项目之一，同时也是Class文件中第一个出现的表类型数据项目；

• 在常量池的入口处存在一项u2类型的数据，代表常量池容量计数值（constant_pool_count），这个容量计数是从1开始的。第0项常量为空的作用是为了表达“不引用任何一个常量池项目”

• 常量池中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic Reference）：

  • 字面量比较接近Java语言的常量概念，如文本字符串、声明为final的常量值等；

  • 符号引用，包括了三类常量：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。

• 常量池中每一项常量都是一个表，这14种表都有一共同的特点，就是表开始的第一位是一个u1类型的标志位（tag，取值见下表“标志”列），代表当前这个常量属于哪种常量类型

常量池的项目类型

类型	标志	描述
CONSTANT_Utf8_info	1	UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info	3	整型字面量
CONSTANT_Float_info	4	浮点型字面量
CONSTANT_Long_info	5	长整型字面量
CONSTANT_Double_info	6	双精度浮点型字面量
CONSTANT_Class_info	7	类或接口的符号引用
CONSTANT_String_info	8	字符串类型字面量
CONSTANT_Fieldref_info	9	字段的符号引用
CONSTANT_Methodref_info	10	类中方法的符号引用
CONSTANT_InterfaceMethodref_info	11	接口中方法的符号引用
CONSTANT_NameAndType_info	12	字段或方法的部分符号引用
CONSTANT_MethodHandle_info	15	表示方法句柄
CONSTANT_MethodType_info	16	标识方法类型
CONSTANT_InvokeDynamic_info	18	标识一个动态方法调用点

常量池中14种常量项的结构总表

常量	项目	类型	描述
CONSTANT_Utf8_info	tag	u1	值为1
	length	u2	UTF-8编码的字符串占用的字节数
	bytes	u1	长度为length的UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info	tag	u1	值为3
	bytes	u4	按照高位在前存储的int值
CONSTANT_Float_info	tag	u1	值为4
	bytes	u4	按照高位在前存储的float值
CONSTANT_Long_info	tag	u1	值为5
	bytes	u8	按照高位在前存储的long值
CONSTANT_Double_info	tag	u1	值为6
	bytes	u8	按照高位在前存储的double值
CONSTANT_Class_info	tag	u1	值为7
	index	u2	指向全限定名常量项的索引
CONSTANT_String_info	tag	u1	值为8
	index	u2	指向字符串字面量的索引
CONSTANT_Fieldref_info	tag	u1	值为9
	index	u2	指向声明字段的类型或者接口描述符CONSTANT_Class_info的索引项
	index	u2	指向字段描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引项
CONSTANT_Methodref_info	tag	u1	值为10
	index	u2	指向声明方法的类描述符CONSTANT_Class_info的索引项
	index	u2	指向名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引
CONSTANT_InterfaceMethodref_info	tag	u1	值为11
	index	u2	指向声明方法的接口描述符CONSTANT_Class_info的索引项
	index	u2	指向名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引项
CONSTANT_NameAndType_info	tag	u1	值为12
	index	u2	指向该字段或方法名称常量项的索引
	index	u2	指向该字段或方法描述符常量项的索引
CONSTANT_Method_Handle_info	tag	u1	值为15
	reference_kind	u1	值必须在1～9之间（包括1和9），它决定了方法句柄的类型。方法句柄类型的值表示方法句柄字节码的行为
	reference_index	u2	值必须是对常量池的有效索引
CONSTANT_Method_Type_info	tag	u1	值为16
	descriptor_index	u2	值必须是对常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info结构，表示方法的描述符
CONSTANT_Invoke_Dynamic_info	tag	u1	值为18
	bootstrap_method-attr_index	u2	值必须是对当前Class文件中引导方法表的bootstrap——method[]数组的有效索引
	name_and_type_index	u2	值必须是对常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_NameAndType_info结构，表示方法名和方法描述符

• 注：分析Class文件字节码命令：javap -v 编译后Class文件名

2.4 类访问标志

• 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，是否被声明为final等.

具体的标志位以及标志的含义见表

访问标志	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0X0001	是否为public类型
ACC_FINAL	0X0010	是否被声明为final，只有类可设置
ACC_SUPER	0X0020	是否允许使用invokespecial字节码指令
ACC_INTERFACE	0X0200	标识为一个接口
ACC_ABSTRACT	0X0400	是否为abstract类型，对于接口或抽象类而言，此标志值为真，其他类值为假
ACC_SYNTHETIC	0X1000	标识这个类并非由用户代码产生的
ACC_ANNOTATION	0X2000	标识这是一个注解
ACC_ENUM	0X4000	标识这是一个枚举

2.5 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父类的全限定名。（除了java.lang.Object外，所有Java类的父类索引都不为0）；接口索引集合用来描述这个类实现了哪些接口。

• 类索引、父类索引和接口索引集合都按顺序排列在访问标志后面，类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示，它们各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量，通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串。

• 接口索引集合，入口的第一项——u2类型的数据为接口计数器（interfaces_count），表示索引表的容量。如果该类没有实现任何接口，则该计数器值为0，后面的接口索引表不占用任何字节。

##2.6 字段表集合
字段表（field_info）用于描述接口或类中声明的表量。字段（field）包括类级变量以及实例级变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。字段叫什么名字、字段被定义为什么数据类型，这些都是无法固定的，只能引用常量池中的常量来描述。

字段表结构

类型	名称	数量	备注
u2	access_flags	1	字段访问标志
u2	name_index	1	字段的简单名称（对常量池的引用）
u2	descriptor_index	1	字段和方法的描述符（对常量池的引用）
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

字段访问标志

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	字段是否public
ACC_PRIVATE	0x0002	字段是否private
ACC_PROTECTED	0x0004	字段是否protected
ACC_STATIC	0x0008	字段是否static
ACC_FINAL	0x0010	字段是否final
ACC_VOLATILE	0x0040	字段是否volatile
ACC_TRANSIENT	0x0080	字段是否transient
ACC_SYNTHETIC	0x1000	字段是否由编译器自动产生的
ACC_ENMU	0x4000	字段是否enmu

描述符的作用是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表（包括数量、类型以及顺序）和返回值。根据描述符规则，基本数据类型（byte、char、double、float、int、long、short、boolean）以及代表无返回值的void类型都是用大写字符来表示，而对象；类型则用字符L加对象的全限定名来表示。详见下表：

描述符标识字符含义

标识字符	含义		标识字符	含义
B	基本类型byte		J	基本类型long
C	基本类型char		S	基本类型short
D	基本类型double		Z	基本类型boolean
F	基本类型float		V	基本类型void
I	基本类型int		L	对象类型，如Ljava/lang/Object

对于数组类型，每一个一维度将使用一个前置的“[”字符来描述，如一个定义为 java.lang.String[][]类型的二维数组，将被记录为：[[Ljava/lang/String。

##2.7 方法表集合

方法表结构

类型	名称	数量	备注
u2	access_flags	1	字段访问标志
u2	name_index	1	字段的简单名称（对常量池的引用）
u2	descriptor_index	1	字段和方法的描述符（对常量池的引用）
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

1. 因为volatile关键字和transient关键字不能修饰方法，所以在方法表的访问标志中没有了ACC_VOLATILE标志和ACC_TRANSIENT标志
2. synchronized、native、strictfp和abstract关键字可以修饰方法，所以方法表的访问标志中增加了

方法访问标志

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	方法是否为public
ACC_PRIVATE	0x0002	方法是否为private
ACC_PROTECTED	0x0004	方法是否为protected
ACC_STATIC	0x0008	方法是否为static
ACC_FINAL	0x0010	方法是否为final
ACC_SYNCHRONIZED	0x0020	方法是否为synchronized
ACC_BRIDGE	0x0040	方法是否是由编译器产生的 桥接方法
ACC_VARARGS	0x0080	方法是否接受不定参数
ACC_NATIVE	0x0100	方法是否为native
ACC_ABSTRACT	0x0400	方法是否为abstract
ACC_STRICTFP	0x0800	方法是否为strictfp
ACC_SYNTHETIC	0x1000	方法是否是由编译器自动产生的