JVM与DVM ——（3）字节码层面分析 class 类文件结构

本文将从字节码层面分析 class 类文件结构。首先来看一道面试题：

java中 String 字符串的长度有限制吗？

项目开发中，经常会用到 String 来声明字符串，比如 String str = “abc”，那等于号之后的字符串常量到底有没有长度限制呢？要彻底掌握这道题，就需要先学会此文内容——class 文件。

class 的来龙去脉

Java 能够实现"一次编译，到处运行”，这其中 class 文件要占大部分功劳。为了让 Java 语言具有良好的跨平台能力，Java 提供了一种可以在所有平台上都能使用的一种中间代码——字节码类文件（.class文件）。有了字节码，无论是哪种平台（如：Mac、Windows、Linux 等），只要安装了虚拟机都可以直接运行字节码。

并且，有了字节码，也解除了 Java 虚拟机和 Java 语言之间的耦合。这句话怎么理解？这种解耦指的是什么？

其实，Java 虚拟机当初被设计出来的目的不单单是只运行 Java 这一种语言。目前 Java 虚拟机已经可以支持很多除 Java 语言以外的其他语言了，如 Groovy、JRuby、Python、Scala 等。之所以可以支持其他语言，是因为这些语言经过编译之后也可以生成能够被 JVM 解析并执行的字节码文件。而虚拟机并不关心字节码是由哪种语言编译而来的。如下图所示：

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上帝视角看 class 文件

如果从纵观的角度来看 class 文件，class 文件里只有两种数据结构：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、数量值或者字符串（UTF-8 编码）。
表：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，class文件中所有的表都以“_info”结尾。其实，整个 Class 文件本质上就是一张表。

这两者之间的关系可以用下面这张张图来表示：

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可以看出，在一张表中可以包含其他无符号数和其他表格。伪代码可以如下所示：

// 无符号数
u1 = byte[1];
u2 = byte[2];
u4 = byte[4];
u8 = byte[8];
// 表
class_table {
    // 表中可以引用各种无符号数，
    u1 tag;
    u2 index2;
    ...
    // 表中也可以引用其它表
    method_table mt;
    ...
}

class 文件结构

刚才我们说在 class 文件中只存在无符号数和表这两种数据结构。而这些无符号数和表就组成了 class 中的各个结构。这些结构按照预先规定好的顺序紧密的从前向后排列，相邻的项之间没有任何间隙。如下图所示：

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当 JVM 加载某个 class 文件时，JVM 就是根据上图中的结构去解析 class 文件，加载 class 文件到内存中，并在内存中分配相应的空间。具体某一种结构需要占用大多空间，可以参考下图：

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看到这里你可能会有点概念混淆，分不清无符号数、表格以及上面的结构是什么关系。其实可以举一个简单的例子：人类的身体是由 H、O、C、N 等元素组成的。但是这些元素又是按照一定的规律组成了人类身体的各个器官。class 文件中的无符号数和表格就相当于人类身体中的 H、O、C、N 等元素，而 class 结构图中的各项结构就相当于人类身体的各个器官。并且这些器官的组织顺序是有严格顺序要求的，毕竟眼睛不能长在屁股上。

实例分析

理清这些概念之后，接下来通过一个 Java 代码实例，来看一下上面这几个结构的详细情况。首先编写一个简单的 Java 源代码 Test.java，如下所示：

import java.io.Serializable;
 
public class Test implements Serializable, Cloneable{
      private int num = 1;
 
      public int add(int i) {
          int j = 10;
          num = num + i;
          return num;
     }
}

通过 javac 将其编译，生成 Test.class 字节码文件。然后使用 16 进制编辑器打开 class 文件，显示内容如下：

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上图中都是一些 16 进制数字，每两个字符代表一个字节。乍看一下各个字符之间毫无规律，但是在 JVM 的视角里这些 16 进制字符是按照严格的规律排列的。接下来就一步一步看下 JVM 是如何解析它们的。

魔数 magic number

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如上图所示，在 class 文件开头的四个字节是 class 文件的魔数，它是一个固定的值--0XCAFEBABE。魔数是 class 文件的标志，也就是说它是判断一个文件是不是 class 格式文件的标准，如果开头四个字节不是 0XCAFEBABE，那么就说明它不是 class 文件，不能被 JVM 识别或加载。

版本号

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紧跟在魔数后面的四个字节代表当前 class 文件的版本号。前两个字节 0000 代表次版本号（minor_version），后两个字节 0034 是主版本号（major_version），对应的十进制值为 52，也就是说当前 class 文件的主版本号为 52，次版本号为 0。所以综合版本号是 52.0，也就是 jdk1.8.0

常量池（重点）

紧跟在版本号之后的是一个叫作常量池的表（cp_info）。在常量池中保存了类的各种相关信息，比如类的名称、父类的名称、类中的方法名、参数名称、参数类型等，这些信息都是以各种表的形式保存在常量池中的。

常量池中的每一项都是一个表，其项目类型共有 14 种，如下表所示：

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可以看出，常量池中的每一项都会有一个 u1 大小的 tag 值。tag 值是表的标识，JVM 解析 class 文件时，通过这个值来判断当前数据结构是哪一种表。以上 14 种表都有自己的结构，这里不再一一介绍，就以 CONSTANT_Class_info 和 CONSTANT_Utf8_info 这两张表举例说明，因为其他表也基本类似。

首先，CONSTANT_Class_info 表具体结构如下所示：

table CONSTANT_Class_info {
    u1  tag = 7;
    u2  name_index;
}

解释说明。

tag：占用一个字节大小。比如值为 7，说明是 CONSTANT_Class_info 类型表。
name_index：是一个索引值，可以将它理解为一个指针，指向常量池中索引为 name_index 的常量表。比如 name_index = 2，则它指向常量池中第 2 个常量。

接下来再看 CONSTANT_Utf8_info 表具体结构如下：

table CONSTANT_utf8_info {
    u1  tag;
    u2  length;
    u1[] bytes;
}

解释说明：

tag：值为1，表示是 CONSTANT_Utf8_info 类型表。
length：length 表示 u1[] 的长度，比如 length=5，则表示接下来的数据是 5 个连续的 u1 类型数据。
bytes：u1 类型数组，长度为上面第 2 个参数 length 的值。

而我们在java代码中声明的String字符串最终在class文件中的存储格式就 CONSTANT_utf8_info。因此一个字符串最大长度也就是u2所能代表的最大值65536个，但是需要使用2个字节来保存 null 值，因此一个字符串的最大长度为 65536 - 2 = 65534。参考 Java String最大长度分析。

不难看出，在常量池内部的表中也有相互之间的引用。用一张图来理解 CONSTANT_Class_info 和 CONSTANT_utf8_info 表格之间的关系，如下图所示：

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理解了常量池内部的数据结构之后，接下来就看一下实例代码的解析过程。因为开发者平时定义的 Java 类各式各样，类中的方法与参数也不尽相同。所以常量池的元素数量也就无法固定，因此 class 文件在常量池的前面使用 2 个字节的容量计数器，用来代表当前类中常量池的大小。如下图所示：

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红色框中的 001d 转化为十进制就是 29，也就是说常量计数器的值为 29。其中下标为 0 的常量被 JVM 留作其他特殊用途，因此 Test.class 中实际的常量池大小为这个计数器的值减 1，也就是 28个。

第一个常量，如下所示：

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0a 转化为 10 进制后为 10，通过查看常量池 14 种表格图中，可以查到 tag=10 的表类型为 CONSTANT_Methodref_info，因此常量池中的第一个常量类型为方法引用表。其结构如下：

CONSTANT_Methodref_info {
    u1 tag = 10;
    u2 class_index;        指向此方法的所属类
    u2 name_type_index;    指向此方法的名称和类型
}

也就是说在“0a”之后的 2 个字节指向这个方法是属于哪个类，紧接的 2 个字节指向这个方法的名称和类型。它们的值分别是：

0006：十进制 6，表示指向常量池中的第 6 个常量。
0015：十进制 21，表示指向常量池中的第 21 个常量。

至此，第 1 个常量就解读完毕了。紧接着的就是第 2 个常量，如下所示：

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tag 09 表示是字段引用表 CONSTANT_FIeldref_info ，其结构如下：

CONSTANT_Fieldref_info{
    u1 tag;
    u2 class_index;        指向此字段的所属类
    u2 name_type_index;    指向此字段的名称和类型
}

同样也是 4 个字节，前后都是两个索引。

0005：指向常量池中第 5 个常量。
0016：指向常量池中第 22 个常量。

到现在为止我们已经解析出了常量池中的两个常量。剩下的 21 个常量的解析过程也大同小异，这里就不一一解析了。实际上我们可以借助 javap 命令来帮助我们查看 class 常量池中的内容：

javap -v Test.class

上述命令执行后，显示结果如下：

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正如我们刚才分析的一样，常量池中第一个常量是 Methodref 类型，指向下标 6 和下标 21 的常量。其中下标 21 的常量类型为 NameAndType，它对应的数据结构如下：

CONSTANT_NameAndType_info{
    u1 tag;
    u2 name_index;    指向某字段或方法的名称字符串
    u2 type_index;    指向某字段或方法的类型字符串
}

而下标在 21 的 NameAndType 的 name_index 和 type_index 分别指向了 13 和 14，也就是“”和“()V”。因此最终解析下来常量池中第 1 个常量的解析过程以及最终值如下图所示：

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仔细解析层层引用，最后我们可以看出，Test.class 文件中常量池的第 1 个常量保存的是 Object 中的默认构造器方法。

访问标志（access_flags）

紧跟在常量池之后的常量是访问标志，占用两个字节，如下图所示：

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访问标志代表类或者接口的访问信息，比如：该 class 文件是类还是接口，是否被定义成 public，是否是 abstract，如果是类，是否被声明成 final 等等。各种访问标志如下所示：

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我们定义的 Test.java 是一个普通 Java 类，不是接口、枚举或注解。并且被 public 修饰但没有被声明为 final 和 abstract，因此它所对应的 access_flags 为 0021（0X0001 和 0X0020 相结合）。

类索引、父类索引与接口索引计数器

在访问标志后的 2 个字节就是类索引，类索引后的 2 个字节就是父类索引，父类索引后的 2 个字节则是接口索引计数器。如下图所示：

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可以看出类索引指向常量池中的第 5 个常量，父类索引指向常量池中的第 6 个常量，并且实现的接口个数为 2 个。再回顾下常量池中的数据：

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从图中可以看出，第 5 个常量和第 6 个常量均为 CONSTANT_Class_info 表类型，并且代表的类分别是“Test”和“Object”。再看接口计数器，因为接口计数器的值是 2，代表这个类实现了 2 个接口。查看在接口计数器之后的 4 个字节分别为：

0007：指向常量池中的第 7 个常量，从图中可以看出第 7 个常量值为"Serializable"。
0008：指向常量池中的第 8 个常量，从图中可以看出第 8 个常量值为"Cloneable"。

综上所述，可以得出如下结论：当前类为 Test 继承自 Object 类，并实现了“Serializable”和“Cloneable”这两个接口。

字段表

紧跟在接口索引集合后面的就是字段表了，字段表的主要功能是用来描述类或者接口中声明的变量。这里的字段包含了类级别变量以及实例变量，但是不包括方法内部声明的局部变量。

同样, 一个类中的变量个数是不固定的，因此在字段表集合之前还是使用一个计数器来表示变量的个数，如下所示：

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0002 表示类中声明了 2 个变量（在 class 文件中叫字段），字段计数器之后会紧跟着 2 个字段表的数据结构。

字段表的具体结构如下：

CONSTANT_Fieldref_info{
    u2  access_flags    字段的访问标志
    u2  name_index          字段的名称索引(也就是变量名)
    u2  descriptor_index    字段的描述索引(也就是变量的类型)
    u2  attributes_count    属性计数器
    attribute_info
}

继续解析 Text.class 中的字段表，其结构如下图所示：

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字段访问标志

对于 Java 类中的变量，也可以使用 public、private、final、static 等标识符进行标识。因此解析字段时，需要先判断它的访问标志，字段的访问标志如下所示：

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字段表结构图中的访问标志的值为 0002，代表它是 private 类型。变量名索引指向常量池中的第 9 个常量，变量名类型索引指向常量池中第 10 个常量。第 9 和第 10 个常量分别为“num”和“I”，如下所示：

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因此可以得知类中有一个名为 num，类型为 int 类型的变量。对于第 2 个变量的解析过程也是一样，就不再过多介绍。

注意事项：

字段表集合中不会列出从父类或者父接口中继承而来的字段。
内部类中为了保持对外部类的访问性，会自动添加指向外部类实例的字段。

对于以上两种情况，建议你可以自行定义一个类查看并手动分析一下。

方法表

字段表之后跟着的就是方法表常量。相信你应该也能猜到了，方法表常量应该也是以一个计数器开始的，因为一个类中的方法数量是不固定的，如图所示：

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上图表示 Test.class 中有两个方法，但是我们只在 Test.java 中声明了一个 add 方法，这是为什么呢？这是因为默认构造器方法也被包含在方法表常量中。

方法表的结构如下所示：

CONSTANT_Methodref_info{
    u2  access_flags;        方法的访问标志
    u2  name_index;          指向方法名的索引
    u2  descriptor_index;    指向方法类型的索引
    u2  attributes_count;    方法属性计数器
    attribute_info attributes;
}

可以看到，方法也是有自己的访问标志，具体如下：

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我们主要来看下 add 方法，具体如下：

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从图中我们可以看出 add 方法的以下字段的具体值：

access_flags = 0001 也就是访问权限为 public。
name_index = 0X0011 指向常量池中的第 17 个常量，也就是“add”。
type_index = 0X0012 指向常量池中的第 18 个常量，也即是 (I)。这个方法接收 int 类型参数，并返回 int 类型参数。

属性表

在之前解析字段和方法的时候，在它们的具体结构中我们都能看到有一个叫作 attributes_info 的表，这就是属性表。

属性表并没有一个固定的结构，各种不同的属性只要满足以下结构即可：

CONSTANT_Attribute_info{
    u2 name_index;
    u2 attribute_length length;
    u1[] info;
}

JVM 中预定义了很多属性表，这里重点讲一下 Code 属性表。

Code属性表

我们可以接着刚才解析方法表的思路继续往下分析：

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可以看到，在方法类型索引之后跟着的就是“add”方法的属性。0X0001 是属性计数器，代表只有一个属性。0X000f 是属性表类型索引，通过查看常量池可以看出它是一个 Code 属性表，如下所示：

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Code 属性表中，最主要的就是一些列的字节码。通过 javap -v Test.class 之后，可以看到方法的字节码，如下图显示的是 add 方法的字节码指令：

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JVM 执行 add 方法时，就通过这一系列指令来做相应的操作。

总结：

本文主要了解了一个 class 文件内容的数据结构到底长什么样子，并通过 Test.class 来模拟演示Java虚拟机解析字节码文件的过程。其中 class 常量池部分是重点内容，它就相当于是 class 文件中的资源仓库，其他的几种结构或多或少都会最终指向到这个资源仓库中。实际上平时我们不太会直接用一个 16 进制编辑器去打开一个 .class 文件。我们可以使用 javap 等命令或者是其他工具，来帮助我们查看 class 内部的数据结构。只不过自己亲手操作一遍是很有助于理解 JVM 的解析过程，并加深对 class 文件结构的记忆。