虚拟机类加载机制（二）--- 类文件结构之属性表详解

Java的技术体系包括

• 支持Java程序运行的虚拟机（JVM）
• 提供接口支持的Java API
• Java 编程语言
• 第三方Java框架（如Spring等）

代码编译的结果从本地机器码转变为字节码，是存储格式发展的一小步，却是编程语言的一大步。

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上一篇文章我们详细介绍了由java类编译而成的Class文件的结构，其中最后一项属性表集合（attribute_info）内容较多，且我们使用Java编写的代码逻辑，大部分都在此表示，因此单独拿出一篇文章详细介绍属性表的内容。在第七版的虚拟机规范中已经预定了21项属性表，且还可以自定义属性表，因此属性表很多，我们详细了解一下其中最为常用的几项

Code属性

一个类中的方法中的代码，经过编译之后，最终变为字节码指令存储在Code属性内。Code属性位于方法表（method_info）的属性集合之中，但并非所有的方法都有这个属性，比如接口或者抽象类的方法就没有。Code属相的结构如下图所示

类型	名称	数量	描述
u2	attribute_name_index	1	属性名称
u4	attribute_length	1	属性总长度
u2	max_stack	1	操作数栈最大深度
u2	max_locals	1	局部变量表所需要的存储空间，编译器会根据局部变量的作用域等计算出该值的大小
u4	code_length	1	字节码长度
u1	code	code_length	用来存储字节码指令的一系列字节流
u2	exception_table_length	1	异常表长度
exception_info	exception_table	exception_table_length	显示异常处理表
u2	attribute_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

其中code和code_length用来表示Java程序编译后生成的字节码指令。code_length代表字节码的长度，code用于存储字节码指令的一系列字节流。字节码指令，顾名思义，就是一个字节代表的指令，一个字节代表的值范围是0~255，也就是说总共可以表达256种指令，目前虚拟机规范定义了大约200条指令。code_length是一个u4类型的数据，理论上表达的意思是字节码指令的最大长度可以达到2的32次方-1，但虚拟机规范中明确规定一个方法不允许超过65535条字节码指令，也就是两个字节所能表示的最大值。

max_locals中的单位是Slot，Slot是虚拟机为局部变量分配内存所使用的最小单位，对于长度不超过32位的数据类型，每个局部变量表占用1个Slot，如byte, char, float, int, short, boolean, returnAdress等。对于double和long这两种64位数据类型需要两个Slot

Code属性是Class文件中最最重要的一个属性。因为一个Java类中表达的信息，我们可以将其分为两部分元数据（包括类、字段、方法定义和其他信息）和代码逻辑（方法中的代码），那么在整个Class文件中，Code 属性用来描述代码逻辑，其他的数据项均是来描述元数据的。换句话讲，我们所写代码的主体逻辑，告诉计算机该做什么事情，都是在Code属性中包含。

异常表的格式如下所示，具体含义为，如果当字节码在第start_pc行到end_pc行之间出现了catch_type类型或者其子类的异常，则转到第handler_pc行继续执行。

类型	名称	数量		类型	名称	数量
u2	start_pc	1		u2	handler_pc	1
u2	end_pc	1		u2	catch_type	1

Exceptions 属性

这里的Exception属性是在方法表中与Code属性平级的一项属性，表示方法描述时，在throws关键字后面列举的异常。结构如下

类型	名称	数量
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1
u2	number_of_exceptions	1
u2	exception_index_table	number_of_exceptions

LineNumberTable属性

LineNumberTable属性用于描述java代码行号与字节码行号（字节码的偏移量）之间的对应关系。它不是运行时必须的属性。如果没有这项属性，不会对程序的运行产生任何影响，但是当程序抛出异常时，堆栈中没有出错的行号，而且在调试程序时，也无法按照源码行来调试断点。默认会在Class文件中生成这一项，可以使用如下命令取消生成

javac -g:none或者-g:lines

它的结构如下

类型	名称	数量
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1
u2	line_number_table_length	1
line_number_info	line_number_table	line_number_table_length

其中line_number_info表包含了start_pc和line_number两个u2类型的数据，前者是字节码行号，后者是源码行号。

LocalVariableTable属性

LocalVariableTable属性用于描述栈帧中局部变量表中的变量和java源码中的变量之间的关系。它也不是运行时必须的属性，但默认会生成到Class文件中。如果没有这项属性，当别人调用这个方法的时候，所有参数名称都会丢失，被arg0,arg1之类的占位符代替，会对代码编写带来不方便。可以使用如下命令取消生成

javac -g:none或者-g:vars

它的结构如下

类型	名称	数量
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1
u2	local_variable_table_length	1
local_variable_info	lacal_variable_table	local_variable_table_length

其中local_variable_info表示一个栈帧与源码中的局部变量的对应关系，结构和含义如下所示

类型	名称	数量	描述
u2	start_pc	1	局部变量生命周期开始的字节码偏移量
u2	length	1	作用范围的长度
u2	name_index	1	局部变量名称，指向常量池的索引
u2	descriptor_index	1	局部变量描述符，指向常量池的索引
u2	index	1	局部变量在栈帧中局部变量表中Slot的位置

SourceFile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，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。可使用如下命令取消生成这项属性

javac -g:none或者-g:source

这个属性是一个定长的属性，它的结构如下

类型	名称	数量	描述
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1
u2	source_index	指向常量池中CONSTANT_Utf8_info类型常量的索引，常量值是源码文件的文件名

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关键字修饰的变量才可以使用这项属性。对于静态变量，有两种时刻可以赋值，一种是在类构造器，另一种是使用ConstantValue属性。各种编译器的实现可能不同。我们常用的Sun javac编译器的选择是，对于同时使用final和static的常量，并且它的类型是基本类型或者String类型，就生成ConstantValue来赋值。如果没有被final修饰，或者非基本类型或者字符串，则会选择在中进行初始化。从虚拟机规范的角度来讲，ConstantValue属性并没有要求必须设置了ACC_FINAL标志，而是要求了必须设置有ACC_STATIC标志。

该属性的结构如下，它也是一个定长的属性

类型	名称	数量	描述
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1
u2	constantcalue_index	指向常量池中的索引

InnerClass属性

InnerClass属性用于记录内部类与宿主之间的关联。如果一个类中定义了内部类，编译器就会分别在这个类和它的内部类中生成该属性。该属性的结构如下

类型	名称	数量	描述
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1
u2	number_of_classes	1	记录有多少个内部类
inner_classes_info	inner_classes	1	每个内部类是一个该类型的表

inner_classes_info的结构如下

类型	名称	数量	描述
u2	inner_class_info_index	1	指向常量池中CONSTANT_Class_info型常量，代表内部类的符号引用
u2	outer_class_info_index	1	指向常量池中CONSTANT_Class_info型常量，代表外部类的符号引用
u2	inner_name_index	1	指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量，代表内部类的名称
u2	inner_class_access_flags	1	代表内部类的访问标志，类似于access_flags

其中inner_class_access_flags标志位的含义如下表

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	内部类是否为public
ACC_PRIVATE	0x0002	内部类是否为private
ACC_PROTECTED	0x0004	内部类是否为protected
ACC_STATIC	0x0008	内部类是否为static
ACC_FINAL	0x0010	内部类是否为final
ACC_SYNCHRONIZED	0x0020	内部类是否为synchronized
ACC_ABSTRACT	0x0400	内部类是否为abstract
ACC_SYNTHETIC	0x1000	内部类是否由编译器自动产生
ACC_ANNOTATION	0x2000	内部类是一个注解
ACC_ENUM	0x4000	内部类是一个枚举

Deprecated 与 Synthetic 属性

这两个属性都属于标志类型的布尔属性，要么有要么没有，不存在属性值的概念。其中，Deprecated用于表示某个类或者方法字段已经被认定为不推荐使用，它可以通过在代码中使用 @deprecated 注释进行设置。Synthetic属性代表某个字段或者方法不是由java源代码产生，而是由编译器自动添加的。这两个属性的结构如下，其中attribute_length的值必须为0。

类型	名称	数量
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1

编译器自动生成的实例构造器和类构造器除外

StackMapTable属性

该属性是JDK1.6之后增加到Class文件规范中的，它是一个复杂的变长属性，位于Code属性表中。它的功能用于，在类加载的字节码验证阶段用于验证字节码逻辑合法性，它的工作原理在虚拟机规范中用了整整120页来讲解，因此十分复杂。我们只需要知道该属性的含义就够了。它的结构如下

类型	名称	数量
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1
u2	number_of_entries	1
stack_map_frame	stack_map_frame_entries	number_of_entries

虚拟机规范中规定，在Class版本号大于50的文件中，如果方法的Code属性中没有StackMapTable属性，则表示它带有一个隐式的StackMap属性。这个StackMapTable属性的作用等同于number_of_entries值为0的属性。一个方法的Code属性最多只能有一个StackMapTable属性，否则会抛出ClassFormatError异常。

Signature属性

Signature属性在JDK1.5之后增加到了Class文件中，它是一个可选的定长属性，可以出现在类、字段、方法的属性表中。它的作用是，任何类、接口、初始化成员或者方法的泛型签名如果包含了类型变量或参数化类型，则Signature会为它记录泛型签名信息。它的在结构如下

类型	名称	数量
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1
u2	signature_index	1

其中signature_index项的值是一个对常量池的索引。常量池在该索引处的项是一个CONSTANT_Utf8_info结构，表示类签名，方法类型签名或者字段签名。