Class类文件结构
Class类文件结构
Class文件是一组8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格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都是程序运行的必要数据，没有空隙存在。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。
根据Java虚拟机规范的规定，Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储的，这种伪结构中只有两种数据类型：无符号数和表。
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个字节和8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。
表是由多个无符号数或其他表作为数据项构成的复合数据类型，所有表都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复核结构的数据，整个Class文件本质上就是一张表，它是由如下所示的数据项构成的：
| 类型 | 名称 | 数量 |
|---|---|---|
| u4 | magic | 1 |
| u2 | minor_version | 1 |
| u2 | msjor_version | 1 |
| u2 | constant_poo_count | 1 |
| cp_info | const_pool | constant_poo_count |
| u2 | access_flags | 1 |
| u2 | this_class | 1 |
| u2 | super_class | 1 |
| u2 | interfaces_count | 1 |
| u2 | intercfaces | interfaces_count |
| u2 | fileds_count | 1 |
| field_info | fields | fileds_count |
| u2 | methods_count | 1 |
| method_info | methods | 1 |
| u2 | attributes_count | 1 |
| arrribute_info | attributes | attributes_count |
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，这时候称这一系列连续的某一类型的数据为某一类型的集合。
魔术与Class文件版本
每个Class文件的头4个字节称为魔数（Magic Number），它的唯一作用是用于确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。Class文件的魔数值为：0xCAFEBABE。接着魔数的4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个和第8个字节是主版本号（Major Version）。
常量池
紧接着主次版本号之后的是常量池入口，常量池是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文件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的数据项目。由于常量池中常量数量不固定，所以在常量池的入口需要放置一项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而不是0开始的。制定Class文件格式规范时，将第0项常量空出来是有特殊考虑的，这样做是为了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”的意思，这种情况就可以把索引值置为0来表示。Class文件结构中只有常量池的容量计数是从1开始的，对于其他集合类型，包括接口索引集合、字段表集合、方法表集合等的容量技术都与一般习惯相同，是从0开始的。
常量池中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References）。字面量比较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括下面三类常量：
- 类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
- 字段的名称和描述符（Descriptor）
- 方法的名称和描述符
Java代码在进行Javac编译的时候，并不像C和C++那样有“连接”这一步骤，而是在虚拟机加载Class文件的时候进行动态连接。也就是说，在Class文件中不会保存各个方法和字段的最终内存布局信息，因此这些字段和方法的符号引用不经过转换的话是无法直接被虚拟机使用的。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并翻译到具体的内存地址中。
常量池中每一项常量都是一个表，共有11种结构各不相同的表结构数据，这11种表都有一个共同的特点，就是表开始的第一位是一个u1类型的标志位（tag，取值为1至12，缺少标志为2的数据类型），代表当前这个常量属于哪种常量类型。
由于Class文件中方法、字段等都需要引用CONSTANT_UTF8_info型常量来描述名称，所以CONSTANT_UTF8_info型常量的最大长度也就是Java中方法和字段名的最大长度。最大值length是65535，所以Java程序中如果定义了超过64KB英文字符的变量或方法名，将会无法编译。
专门用于分析Class文件字节码的工具：javap，可以输出class文件的字节码内容：
javap -verbose ****.class
访问标志
在常量池结束后，紧接着的2个字节代表访问标志（access_flags），这个标志用于识别一些类或借口层次的访问信息，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；
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父类的全限定名。由于Java语言不允许多重继承，所以父类索引只有一个，除了java.lang.Object之外，所有的Java类都有父类，因此除了java.lang.Object外，所有Java类的父类索引都不为0。接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口，这些被实现的接口将按implements语句（如果这个类本身是一个接口，则应当是extends语句）后的接口顺序从左到右排列在接口的索引集合中。
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之后，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。
对于接口索引集合，入口的第一项类型的数据为口计数器（interfaces_count），表示索引表的容量。如果该类没有任何借口，那么该计数器值为0，后面的接口的索引表不再占用任何字节。
字段表集合
字段表（field_info）用于描述接口或类中声明的变量。字段（field）包括了类级变量或实例级变量，但不包括在方法内部声明的变量。java中描述一个字段可以包含的信息：字段的作用域（public、private、protected修饰符）、是类级变量还是实例级变量（static修饰符）、可变性（final）、并发可见性（volatile修饰符，是否强制从主内存读写）、可否序列化（transient修饰符）、字段数据类型（基本类型、对象、数组）、字段名称。这些信息中，各个修饰符都是布尔值，要么有某个修饰符，要么没有，很适合使用标志位来表示。而字段叫什么名字、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。
- 全限定名：”org/fenixsoft/clazz/TestClass”是类的全限定名，仅仅是把类全名中的“.”替换成了“/”而已，为了使连续的多个权限定名之间不产生混淆，在使用时最后一般会加入一个“;”号表示全限定名结束。
- 简单名称：指没有类型和参数修饰的方法或字段名称，例如方法inc()和字段m的简单名称分别是“inc”和“m”。
- 描述符：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）及代表无返回值的void类型都用一个大写字符来表示，而独享类型则用字符L加对象的全限定名来表示：
对于数组类型，每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;”,一个整型数组“int[]”将被记录为“[I”。
用描述符来描述方法时，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。如方法void inc()的描述符为“()V”,方法java.lang.String toString()的描述符为“()Ljava/lang/String;”,方法int indexOf(char[] source,int sourceOffset,int sourceCount,char[] targetOffset,int targetCount,int fromIndex)的描述符为“（[CII[CIII）I”。
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用了完全一致的方法，方法表的结构如同字段表一样，依次包括了访问标志（access_flags）、名称索引（name_index）、描述符索引（descriptor_index）、属性表合集（attributes）。方法的定义可以通过访问标志、名称索引、描述符索引表达清楚，但方法里面的代码在哪？方法里的Java代码，经过编译器编译成字节码指令后，存放在方法属性表集合中一个名为“Code”的属性里面，属性表作为Class文件格式中最具扩展性的一种数据项目。
属性表集合
属性表（attribute_info）在前面的讲解之中已经出现过多次，在Class文件、字段表、方发表中都可以携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景专有的信息。与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，不再要求各个属性表具有严格的顺序，并且只要不与已有的属性名重复，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，Java虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。
对于每个属性，它的名称需要从常量池中引用一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量来表示，而属性值的结构则是完全自定义的，只需要说明属性值所占用的位数长度即可。
1.Code属性
前面已经说过，Java程序方法体中的代码讲过Javac编译后，生成的字节码指令便会存储在Code属性中，但并非所有的方法表都必须存在这个属性，比如接口或抽象类中的方法就不存在Code属性。如果方法表有Code属性存在，那么它的结构将如下表所示：
| 类型 | 名称 | 数量 |
|---|---|---|
| u2 | attribute_name_index | 1 |
| u4 | attribute_length | 1 |
| u2 | max_stack | 1 |
| u2 | max_locals | 1 |
| u4 | code_legnth | 1 |
| u1 | code | code_legnth |
| u2 | exceprion_table_length | 1 |
| exceprion_info | exceprion_table | exceprion_table_length |
| u2 | attributes_count | 1 |
| attribute_info | attributes | attributes_count |
attribute_name_index是一项指向CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，常量值固定为“Code”，它代表了该属性的名称。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代表了操作数栈深度的最大值，max_locals代表了局部变量表所需的存储空间，它的单位是Slot，并不是在方法中用到了多少个局部变量，就把这些局部变量所占Slot之和作为max_locals的值，原因是局部变量表中的Slot可以重用。
code_length和code用来存储Java源程序编译后生成的字节码指令。code用于存储字节码指令的一系列字节流，它是u1类型的单字节，因此取值范围为0x00到0xFF，那么一共可以表达256条指令，目前，Java虚拟机规范已经定义了其中200条编码值对应的指令含义。code_length虽然是一个u4类型的长度值，理论上可以达到2^32-1，但是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，如果超过了这个限制，Javac编译器将会拒绝编译。
字节码指令之后是这个方法的显式异常处理表集合（exception_table），它对于Code属性来说并不是必须存在的。
Code属性是Class文件中最重要的一个属性，如果把一个Java程序中的信息分为代码和元数据两部分，那么在整个Class文件里，Code属性用于描述代码，所有的其他数据项目都用于描述元数据。
字节码指令之后是这个方法的显式异常处理表集合（exception_table），它对于Code属性来说并不是必须存在的。它的格式如下表所示：
| 类型 | 名称 | 数量 |
|---|---|---|
| u2 | start_pc | 1 |
| u2 | end_pc | 1 |
| u2 | handler_pc | 1 |
| u2 | catch_type | 1 |
它包含四个字段，这些字段的含义为：如果字节码从第start_pc行到第end_pc行之间（不含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要转到handler_pc处进行处理。
当程序触发异常时，Java 虚拟机会从上至下遍历异常表中的所有条目。当触发异常的字节码的索引值在某个异常表条目的监控范围内，Java 虚拟机会判断所抛出的异常和该条目想要捕获的异常是否匹配。如果匹配，Java 虚拟机会将控制流转移至该条目 handler_pc指针指向的字节码。如果遍历完所有异常表条目，Java 虚拟机仍未匹配到异常处理器，那么它会弹出当前方法对应的 Java 栈帧，并且在调用者（caller）中重复上述操作。在最坏情况下，Java 虚拟机需要遍历当前线程 Java 栈上所有方法的异常表。
如果遍历完所有异常表条目，Java 虚拟机仍未匹配到异常处理器，那么它会弹出当前方法对应的 Java 栈帧，并且在调用者（caller）中重复上述操作。在最坏情况下，Java 虚拟机需要遍历当前线程 Java 栈上所有方法的异常表。
finally 代码块的编译比较复杂。当前版本 Java 编译器的做法，是复制 finally 代码块的内容，分别放在 try-catch 代码块所有正常执行路径以及异常执行路径的出口中。
2.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修饰的变量才可以使用这项属性。
在Java中，对非static类型的变量（也就是实例变量）的赋值是在实例构造器方法中进行的；
而对于类变量（static变量），则有两种方式可以选择：在类构造其中赋值，或使用ConstantValue属性赋值。目前Sun Javac编译器的选择是：如果同时使用final和static修饰一个变量（即全局常量），并且这个变量的数据类型是基本类型或String的话，就生成ConstantValue属性来进行初始化（编译时Javac将会为该常量生成ConstantValue属性，在类加载的准备阶段虚拟机便会根据ConstantValue为常量设置相应的值），如果该变量没有被final修饰，或者并非基本类型及字符串，则选择在方法中进行初始化。
下面简要说明下final、static、static final修饰的字段赋值的区别：
static修饰的字段在类加载过程中的准备阶段被初始化为0或null等默认值，而后在初始化阶段（触发类构造器）才会被赋予代码中设定的值，如果没有设定值，那么它的值就为默认值。final修饰的字段在运行时被初始化（可以直接赋值，也可以在实例构造器中赋值），一旦赋值便不可更改；static final修饰的字段在Javac时生成ConstantValue属性，在类加载的准备阶段根据ConstantValue的值为该字段赋值，它没有默认值，必须显式地赋值，否则Javac时会报错。可以理解为在编译期即把结果放入了常量池中。