JVM之Java字节码（.class）文件详解

前言

        我们在使用IDEA工具编写java代码时，当执行程序时,IDEA会使用JDK帮我们执行编译命令，在target目录下生成对应的.class文件，为了加深对.class文件的理解。写了这篇文章，加深对字节码文件的理解。

编译前：

            

执行程序后：

这一步操作，就是将.java文件编译成JVM可执行的.class文件，也叫做字节码文件。

.class文件介绍

        在 Java 中，JVM 可以执行的代码就叫做字节码（即扩展名为 .class 的文件），它不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机。Java 语言通过字节码的方式，在一定程度上解决了传统解释型语言执行效率低的问题并且保留了解释型语言可移植的特点，而通过即时编译器（jit）又有编译型语言执行效率高的特点。所以 Java 程序运行时比较高效。Java通过字节码文件和虚拟机jvm之间的关系，做到了平台无关性，一次编译，各平台都可运行。

        能在Java虚拟机上运行的语言，不仅仅只有Java，比如：Groovy、Scala 等语言都是运行在 Java 虚拟机之上。下图展示了不同的语言被不同的编译器编译成.class文件最终运行在 Java 虚拟机之上。

使用winhex打开后如下

 .class文件结构

Java源文件在被Java编译器编译之后， 每个类（或者接口）都单独占据一个class文件， 并且类中的所有信息都会在class文件中有相应的描述， 由于class文件很灵活， 它甚至比Java源文件有着更强的描述能力。

class文件中的信息是一项一项排列的， 每项数据都有它的固定长度， 有的占一个字节， 有的占两个字节， 还有的占四个字节或8个字节， 数据项的不同长度分别用u1, u2, u4, u8表示， 分别表示一种数据项在class文件中占据一个字节， 两个字节， 4个字节和8个字节。 可以把u1, u2, u3, u4看做class文件数据项的“类型”

一个典型的class文件分为：MagicNumber，Version，Constant_pool，Access_flag，This_class，Super_class，Interfaces，Fields，Methods 和Attributes这十个部分，用一个数据结构可以表示如下：

下面对class文件中的每一项进行详细的解释：

1、magic

        在class文件开头的四个字节， 存放着class文件的魔数， 这个魔数是class文件的标志，他是一个固定的值： 0XCAFEBABE 。 也就是说他是判断一个文件是不是class格式的文件的标准， 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。

2、minor_version 和 major_version

        紧接着魔数的四个字节是class文件的此版本号和主版本号。
随着Java的发展， class文件的格式也会做相应的变动。 版本号标志着class文件在什么时候， 加入或改变了哪些特性。 举例来说， 不同版本的javac编译器编译的class文件， 版本号可能不同， 而不同版本的JVM能识别的class文件的版本号也可能不同， 一般情况下， 高版本的JVM能识别低版本的javac编译器编译的class文件， 而低版本的JVM不能识别高版本的javac编译器编译的class文件。 如果使用低版本的JVM执行高版本的class文件， JVM会抛出java.lang.UnsupportedClassVersionError 。具体的版本号变迁这里不再讨论， 需要的读者自行查阅资料。

3、constant_pool

        在class文件中， 位于版本号后面的就是常量池相关的数据项。 常量池是class文件中的一项非常重要的数据。 常量池中存放了文字字符串， 常量值， 当前类的类名， 字段名， 方法名， 各个字段和方法的描述符， 对当前类的字段和方法的引用信息， 当前类中对其他类的引用信息等等。 常量池中几乎包含类中的所有信息的描述， class文件中的很多其他部分都是对常量池中的数据项的引用，比如后面要讲到的this_class, super_class, field_info, attribute_info等， 另外字节码指令中也存在对常量池的引用， 这个对常量池的引用当做字节码指令的一个操作数。此外，常量池中各个项也会相互引用。

常量池是一个类的结构索引，其它地方对“对象”的引用可以通过索引位置来代替，我们知道在程序中一个变量可以不断地被调用，要快速获取这个变量常用的方法就是通过索引变量。这种索引我们可以直观理解为“内存地址的虚拟”。我们把它叫静态池的意思就是说这里维护着经过编译“梳理”之后的相对固定的数据索引，它是站在整个JVM（进程）层面的共享池。

class文件中的项constant_pool_count的值为1, 说明每个类都只有一个常量池。 常量池中的数据也是一项一项的， 没有间隙的依次排放。常量池中各个数据项通过索引来访问， 有点类似与数组， 只不过常量池中的第一项的索引为1, 而不为0, 如果class文件中的其他地方引用了索引为0的常量池项， 就说明它不引用任何常量池项。class文件中的每一种数据项都有自己的类型， 相同的道理，常量池中的每一种数据项也有自己的类型。 常量池中的数据项的类型如下表：

每个数据项叫做一个XXX_info项，比如，一个常量池中一个CONSTANT_Utf8类型的项，就是一个CONSTANT_Utf8_info 。除此之外， 每个info项中都有一个标志值（tag），这个标志值表明了这个常量池中的info项的类型是什么， 从上面的表格中可以看出，一个CONSTANT_Utf8_info中的tag值为1，而一个CONSTANT_Fieldref_info中的tag值为9 。

Java程序是动态链接的， 在动态链接的实现中， 常量池扮演者举足轻重的角色。 除了存放一些字面量之外， 常量池中还存放着以下几种符号引用：
（1） 类和接口的全限定名
（2） 字段的名称和描述符
（3） 方法的名称和描述符
我们有必要先了解一下class文件中的特殊字符串， 因为在常量池中， 特殊字符串大量的出现，这些特殊字符串就是上面说的全限定名和描述符。对于常量池中的特殊字符串的了解，可以参考此文档：Java class文件格式之特殊字符串_动力节点Java学院整理

4、access_flag 保存了当前类的访问权限

5、this_cass 保存了当前类的全局限定名在常量池里的索引

6、super class 保存了当前类的父类的全局限定名在常量池里的索引

7、interfaces 保存了当前类实现的接口列表，包含两部分内

容：interfaces_count 和interfaces[interfaces_count]
interfaces_count 指的是当前类实现的接口数目
interfaces[] 是包含interfaces_count个接口的全局限定名的索引的数组

8、fields 保存了当前类的成员列表，包含两部分的内容：fields_count 和 fields[fields_count]

fields_count是类变量和实例变量的字段的数量总和。
fileds[]是包含字段详细信息的列表。

9、methods 保存了当前类的方法列表，包含两部分的内容：methods_count和methods[methods_count]methods_count是该类或者接口显示定义的方法的数量。method[]是包含方法信息的一个详细列表。

10、attributes 包含了当前类的attributes列表，包含两部分内容：attributes_count 和 attributes[attributes_count]
class文件的最后一部分是属性，它描述了该类或者接口所定义的一些属性信息。attributes_count指的是attributes列表中包含的attribute_info的数量。
属性可以出现在class文件的很多地方，而不只是出现在attributes列表里。如果是attributes表里的属性，那么它就是对整个class文件所对应的类或者接口的描述；如果出现在fileds的某一项里，那么它就是对该字段额外信息的描述；如果出现在methods的某一项里，那么它就是对该方法额外信息的描述。