JVM笔记（十二）类文件结构
Class文件是一组以8个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，没有空隙存在。当遇到需要占用8个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个字节进行存储。
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数据，这种伪结构中只有两种数据类型：“无符号数”和“表”。后面的解析都要以这两种数据类型为基础，所以这里必须先解释清楚这两个概念。
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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。
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表是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，为了便于区分，所有表的命名都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上也可以视作是一张表，这张表的数据项按严格顺序排列构成。
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”。
1、魔数和Class文件的版本
每个Class文件的头4个字节被称为魔数（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。
Class文件的魔数取得很有“浪漫气息”，值为0xCAFEBABE（咖啡宝贝？）。
紧接着魔数的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和第8个字节是主版本号（Major Version）。
Java的版本号是从45开始的，JDK 1.1之后的每个JDK大版本发布主版本号向上加1（JDK 1.0～1.1使用了45.0～45.3的版本号），高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但不能运行以后版本的Class文件，因为《Java虚拟机规范》在Class文件校验部分明确要求了即使文件格式并未发生任何变化，虚拟机也必须拒绝执行超过其版本号的Class文件。
2、常量池
紧接着主、次版本号之后的是常量池入口，常量池可以比喻为Class文件里的资源仓库，它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据，通常也是占用Class文件空间最大的数据项目之一，另外，它还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目。
由于常量池中常量的数量是不固定的，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）。与Java中语言习惯不同，这个容量计数是从1而不是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，主要包括下面几类常量：
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被模块导出或者开放的包（Package）
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类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
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字段的名称和描述符（Descriptor）
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方法的名称和描述符
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方法句柄和方法类型（Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic）
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动态调用点和动态常量（Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant）
3、访问标志
在常量池结束之后，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者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；等等。
4、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该类型的继承关系。
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关键字（如果这个Class文件表示的是一个接口，则应当是extends关键字）后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。
5、字段表集合
字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量。Java语言中的“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。
字段可以包括的修饰符有字段的作用域（public、private、protected修饰符）、是实例变量还是类变量（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）、可否被序列化（transient修饰符）、字段数据类型（基本类型、对象、数组）、字段名称。上述这些信息中，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。而字段叫做什么名字、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。
6、方法表集合
7、属性表集合
Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以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一些，不再要求各个属性表具有严格顺序，并且《Java虚拟机规范》允许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，Java虚拟机运行时会忽略掉它不认识
的属性。为了能正确解析Class文件，《Java虚拟机规范》最初只预定义了9项所有Java虚拟机实现都应当能识别的属性，而在最新的《Java虚拟机规范》的Java SE 12版本中，预定义属性已经增加到29项。
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attribute_name_index
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max_stack
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max_locals
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code_length 和 code
Exceptions属性的作用是列举出方法中可能抛出的受查异常（Checked Excepitons），也就是方法描述时在throws关键字后面列举的异常。
此属性中的number_of_exceptions项表示方法可能抛出number_of_exceptions种受查异常，每一种受查异常使用一个exception_index_table项表示；exception_index_table是一个指向常量池中CONSTANT_Class_info型常量的索引，代表了该受查异常的类型。
3、LineNumberTable属性
LineNumberTable属性用于描述Java源码行号与字节码行号（字节码的偏移量）之间的对应关系。它并不是运行时必需的属性，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，对程序运行产生的最主要影响就是当抛出异常时，堆栈中将不会显示出错的行号，并且在调试程序的时候，也无法按照源码行来设置断点。
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表包含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及LocalVariableTypeTable属性
LocalVariableTable属性用于描述栈帧中局部变量表的变量与Java源码中定义的变量之间的关系，它也不是运行时必需的属性，但默认会生成到Class文件之中，可以在Javac中使用-g：none或-g：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他人引用这个方法时，所有的参数名称都将会丢失，譬如IDE将会使用诸如arg0、arg1之类的占位符代替原有的参数名，这对程序运行没有影响，但是会对代码编写带来较大不便，而且在调试期间无法根据参数名称从上下文中获得参数值。
start_pc和length属性分别代表了这个局部变量的生命周期开始的字节码偏移量及其作用范围覆盖的长度，两者结合起来就是这个局部变量在字节码之中的作用域范围。name_index和descriptor_index都是指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，分别代表了局部变量的名称以及这个局部变量的描述符。index是这个局部变量在栈帧的局部变量表中变量槽的位置。当这个变量数据类型是64位类型时（double和long），它占用的变量槽为index和index+1两个
5、SourceFile及SourceDebugExtension属性
SourceFile属性用于记录生成这个Class文件的源码文件名称。这个属性也是可选的，可以使用Javac的-g：none或-g：source选项来关闭或要求生成这项信息。在Java中，对于大多数的类来说，类名和文件名是一致的，但是有一些特殊情况（如内部类）例外。如果不生成这项属性，当抛出异常时，堆栈中将不会显示出错代码所属的文件名。
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（类变量）才可以使用这项属性。类似“int x=123”和“static int x=123”这样的变量定义在Java程序里面是非常常见的事情，但虚拟机对这两种变量赋值的方式和时刻都有所不同。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
目前Oracle公司实现的Javac编译器的选择是，如果同时使用final和static来修饰一个变量（按照习惯，这里称“常量”更贴切），并且这个变量的数据类型是基本类型或者java.lang.String的话，就将会生成ConstantValue属性来进行初始化；如果这个变量没有被final修饰，或者并非基本类型及字符串，则将会选择在
7、InnerClasses属性
InnerClasses属性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，那编译器将会为它以及它所包含的内部类生成InnerClasses属性。
8、Deprecated及Synthetic属性
Deprecated和Synthetic两个属性都属于标志类型的布尔属性，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、字段或者方法，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。
9、StackMapTable属性
StackMapTable属性在JDK 6增加到Class文件规范之中，它是一个相当复杂的变长属性，位于Code属性的属性表中。这个属性会在虚拟机类加载的字节码验证阶段被新类型检查验证器（Type
Checker）使用（详见第7章字节码验证部分），目的在于代替以前比较消耗性能的基于数据流分析的类型推导验证器。
这个类型检查验证器最初来源于Sheng Liang（听名字似乎是虚拟机团队中的华裔成员）实现为JavaME CLDC实现的字节码验证器。新的验证器在同样能保证Class文件合法性的前提下，省略了在运行期通过数据流分析去确认字节码的行为逻辑合法性的步骤，而在编译阶段将一系列的验证类型（Verification Type）直接记录在Class文件之中，通过检查这些验证类型代替了类型推导过程，从而大幅提升了字节码验证的性能。
StackMapTable属性中包含零至多个栈映射帧（Stack Map Frame），每个栈映射帧都显式或隐式地代表了一个字节码偏移量，用于表示执行到该字节码时局部变量表和操作数栈的验证类型。类型检查验证器会通过检查目标方法的局部变量和操作数栈所需要的类型来确定一段字节码指令是否符合逻辑约束。
10、Signature属性
Signature属性在JDK 5增加到Class文件规范之中，它是一个可选的定长属性，可以出现于类、字段表和方法表结构的属性表中。在JDK 5里面大幅增强了Java语言的语法，在此之后，任何类、接口、初始化方法或成员的泛型签名如果包含了类型变量（Type Variable）或参数化类型（ParameterizedType），则Signature属性会为它记录泛型签名信息。
之所以要专门使用这样一个属性去记录泛型类型，是因为Java语言的泛型采用的是擦除法实现的伪泛型，字节码（Code属性）中所有的泛型信息编译（类型变量、参数化类型）在编译之后都通通被擦除掉。使用擦除法的好处是实现简单（主要修改Javac编译器，虚拟机内部只做了很少的改动）、非常容易实现Backport，运行期也能够节省一些类型所占的内存空间。但坏处是运行期就无法像C#等有真泛型支持的语言那样，将泛型类型与用户定义的普通类型同等对待，例如运行期做反射时无法获得泛型信息。Signature属性就是为了弥补这个缺陷而增设的，现在Java的反射API能够获取的泛型类型，最终的数据来源也是这个属性。
11、BootstrapMethods属性
BootstrapMethods属性在JDK 7时增加到Class文件规范之中，它是一个复杂的变长属性，位于类文件的属性表中。这个属性用于保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符。
根据《Java虚拟机规范》（从Java SE 7版起）的规定，如果某个类文件结构的常量池中曾经出现过CONSTANT_InvokeDynamic_info类型的常量，那么这个类文件的属性表中必须存在一个明确的
BootstrapMethods属性，另外，即使CONSTANT_InvokeDynamic_info类型的常量在常量池中出现过多次，类文件的属性表中最多也只能有一个BootstrapMethods属性。
12、MethodParameters属性
MethodParameters是在JDK 8时新加入到Class文件格式中的，它是一个用在方法表中的变长属性。MethodParameters的作用是记录方法的各个形参名称和信息。
最初，基于存储空间的考虑，Class文件默认是不储存方法参数名称的，因为给参数起什么名字对计算机执行程序来说是没有任何区别的，所以只要在源码中妥当命名就可以了。随着Java的流行，这点确实为程序的传播和二次复用带来了诸多不便，由于Class文件中没有参数的名称，如果只有单独的程序包而不附加上JavaDoc的话，在IDE中编辑使用包里面的方法时是无法获得方法调用的智能提示的，这就阻碍了JAR包的传播。后来，“-g：var”就成为了Javac以及许多IDE编译Class时采用的默认值，这样会将方法参数的名称生成到LocalVariableTable属性之中。
JDK 8中新增的这个属性，使得编译器可以（编译时加上-parameters参数）将方法名称也写进Class文件中，而且MethodParameters是方法表的属性，与Code属性平级的，可以运行时通过反射API获取。
13、模块化相关属性
JDK 9的一个重量级功能是Java的模块化功能，因为模块描述文件（module-info.java）最终是要编译成一个独立的Class文件来存储的，所以，Class文件格式也扩展了Module、ModulePackages和ModuleMainClass三个属性用于支持Java模块化相关功能。
Module属性是一个非常复杂的变长属性，除了表示该模块的名称、版本、标志信息以外，还存储了这个模块requires、exports、opens、uses和provides定义的全部内容。
其中，module_name_index是一个指向常量池CONSTANT_Utf8_info常量的索引值，代表了该模块的名称。
module_version_index是一个指向常量池CONSTANT_Utf8_info常量的索引值，代表了该模块的版本号。
exports属性的每一元素都代表一个被模块所导出的包，exports_index是一个指向常量池CONSTANT_Package_info常量的索引值，代表了被该模块导出的包。
exports_to_count是该导出包的限定计数器，如果这个计数器为零，这说明该导出包是无限定的（Unqualified），即完全开放的，任何其他模块都可以访问该包中所有内容。
ModulePackages是另一个用于支持Java模块化的变长属性，它用于描述该模块中所有的包，不论是不是被export或者open的。
package_count是package_index数组的计数器，package_index中每个元素都是指向常量池CONSTANT_Package_info常量的索引值，代表了当前模块中的一个包。
最后一个ModuleMainClass属性是一个定长属性，用于确定该模块的主类（Main Class）。
14、运行时注解相关属性
早在JDK 5时期，Java语言的语法进行了多项增强，其中之一是提供了对注解（Annotation）的支持。为了存储源码中注解信息，Class文件同步增加了RuntimeVisibleAnnotations、
RuntimeInvisibleAnnotations、RuntimeVisibleParameterAnnotations和RuntimeInvisibleParameterAnnotations四个属性。到了JDK 8时期，进一步加强了Java语言的注解使用范围，又新增类型注解（JSR 308），所以Class文件中也同步增加了RuntimeVisibleTypeAnnotations和RuntimeInvisibleTypeAnnotations两个属性。由于这六个属性不论结构还是功能都比较雷同，因此我们把它们合并到一起，以RuntimeVisibleAnnotations为代表进行介绍。
RuntimeVisibleAnnotations是一个变长属性，它记录了类、字段或方法的声明上记录运行时可见注解，当我们使用反射API来获取类、字段或方法上的注解时，返回值就是通过这个属性来取到的。