Class文件的常量池

引导

Class文件的基本结构
Class文件的常量池
Class文件的访问标志，类索引，父类索引，接口索引
Class文件的字段和方法

Class 文件的常量池

常量池是 class 文件中的重要部分。在 Class文件的基本结构 一文中简单的描述了常量池的基本信息。这部分将对常量池进行一个详细的分析。

在 Class文件的基本结构 一文中绘制了 class 文件的基本结构图，可以知道常量池位于 主版本号(major_version) 之后，如下图红色框区域。

常量池在class文件的位置.png

可以看到常量池由两部分组成：

1. 第一部分是占用 2 个字节的常量池计数器(constant_pool_count)，它描述了常量池(constant_pool)数组的长度；
2. 第二部分是一个 cp_info 结构体数组。

常量池(constant_pool)数组中每一项都记录着 class 文件中某个类型的字面量，其结构如下图所示。

cp_info.png

常量池(constant_pool)数组中每一项都具备相同的格式特征。第一个字节作为类型标记用于识别该项是哪种类型的常量，被称为 "tag type"；JVM 根据 tag 值来确定这个常量池项是什么类型。tag 的值，类型及细化结构的关系如下图所示。

tag.png

其中 CONSTANT_Utf8_info，CONSTANT_Integer_info，CONSTANT_Float_info，CONSTANT_Long_info，CONSTANT_Double_info 为字面量型结构体，其它为引用型结构体。

int 和 float 常量的存储

java 规定 int 基本类型占用4个字节。

int 类型的常量会被编译成 CONSTANT_Integer_info 结构进行存储，其结构如下图所示。

CONSTANT_Integer_info.png

java 规定 float 基本类型占用4个字节。

float 类型的常量会被编译成 CONSTANT_Float_info 结构进行存储，其结构如下图所示。

CONSTANT_Float_info.png

举个栗子看看。定义如下的代码。

public class ConstantPool {
    private final int _int = 3;
    private float _float = 4f;
}

其通过 java 编译器生成的 class 文件如下所示。

int和float类型的常量在class文件中的存储.png

long 和 double 常量的存储

java 规定 long 基本类型占用8个字节。

long 类型的常量会被编译成 CONSTANT_Long_info 结构进行存储，其结构如下图所示。

CONSTANT_Long_info.png

java 规定 double 基本类型占用8个字节。

double 类型的常量会被编译成 CONSTANT_Double_info 结构进行存储，其结构如下图所示。

CONSTANT_Double_info.png

举个栗子看看。定义如下代码。

public class ConstantPool {
    private long _long = 3L;
    private double _double = 4.0;
}

其通过 java 编译器生成的 class 文件如下所示。

long和double类型的常量在class文件中的存储.png

String 类型常量的存储

java 会将 String 类型的常量以 utf-8 编码格式存储到 class 文件中。

CONSTANT_String_info 结构如下图所示。

CONSTANT_String_info.png

其中 string_index 是一个指向常量池(constant_pool)数组的有效索引值，且常量池(constant_pool)数组在此索引的项必须为 CONSTANT_Utf8_info 结构。

CONSTANT_Utf8_info 的结构如下图所示。

CONSTANT_Utf8_info.png

其中 length 表示字符串的长度；byte[length] 表示长度为 length 的 byte 数组，用来存放字符串字面量。

这里能看出字符串字面量的长度不能够超过2个字节，也就是最长为 65535。

举个栗子看看。定义如下代码。

public class ConstantPool {
    private String str = "Constant Pool";
}

通过 java 编译器编译的 class 文件如图所示。

String类型常量在class文件中的存储.png

类或接口的存储

java 会将类或接口的全限定名封装成 CONSTANT_Class_info 结构存放到常量池(constant_pool)数组。全限定名是什么？比如 java.lang.Object 就是 Object 类的全限定名，即包名 + 类名，而在 class 文件中会将 . 替换成 / 进行存储，那么 java.lang.Object 会被存储为 java/lang/Object。

CONSTANT_Class_info 的结构如下图所示。

CONSTANT_Class_info.png

name_index 是一个指向常量池(constant_pool)数组的有效索引值，且常量池(constant_pool)数组在此索引的项必须是 CONSTANT_Utf8_info 结构。

这里需要注意几点：

1. 除了 java.lang.Object 外，其它类或接口在 class 文件中至少有两个 CONSTANT_Class_info 结构的常量池项，一个类或接口本身，另一个为 java.lang.Object 的 CONSTANT_Class_info 常量池项。
2. 类中使用到的其他类，也会被编译成 CONSTANT_Class_info 结构的常量池项，这里所说的使用不包括只声明未使用的类。

举个栗子看看。定义如下代码。

import java.util.Date;

public class ConstantPool {
    private Date date;
    private Person person;

    public void test() {
        person = new Person();
    }
}

class Person {}

注意这里的 Date 仅做了声明，并未实际使用到。通过 java 编译器编译的 class 文件如图所示。

类或接口在class文件中的存储.png

从上图可以看到 Date 并没有被编译成 CONSTANT_Class_info 结构存储到常量池(constant_pool)数组中，这也验证了前面所说的。

Field 的存储

在定义类的过程中会定义一些 field，并在其他地方（如方法中）使用到它，这些被使用到（不包括仅声明未使用的）的 field 字段会被编译成 CONSTANT_Fieldref_info 结构。

CONSTANT_Fieldref_info 的结构如下图所示。

CONSTANT_Fieldref_info.png

class_index 是一个指向常量池(constant_pool)数组的有效索引值，常量池(constant_pool)数组在此索引处的项必须是 CONSTANT_Class_info 结构，表示 Field 所在的类；name_and_type_index 是一个指向常量池(constant_pool)数组的有效索引值，常量池(constant_pool)数组在此索引处的项必须是 CONSTANT_NameAndType_info 结构，表示 Filed 的名称和类型。

CONSTANT_NameAndType_info 的结构如下图所示。

CONSTANT_NameAndType_info.png

name_index 是一个指向常量池(constant_pool)数组的有效索引值，且常量池(constant_pool)数组在此索引处的项必须是 CONSTANT_Utf8_info 结构；descriptor_index 是一个指向常量池(constant_pool)数组的有效索引值，且常量池(constant_pool)数组在此索引处的项必须是 CONSTANT_Utf8_info 结构。

举个栗子。定义如下代码。

public class ConstantPool {
    private String used;
    private String unuse;
    
    public String getUsed() {
        return used;
    }
}

注意这里的 unused 字段只声明，并没有被实际使用到。其被 java 编译器编译成的 class 文件如下图所示。

Field 在 class 文件中的存储.png

注意这里常量池(constant_pool)数组的 #06 项，它表示 used 字段是 java.lang.String 类型。

描述符说明如下图所示。

描述.png

Method 的存储

在定义类或接口的过程中会定义一些 method，并在其他地方（如方法中）使用到它，这些被使用到（不包括仅声明未使用的）的 method 会被编译成 CONSTNAT_Methodref_info 或 CONSTANT_Methodref_info 结构。

CONSTNAT_Methodref_info 的结构如下图所示。

CONSTNAT_Methodref_info.png

CONSTANT_InterfaceMethodref_info 的结构如下图所示。

CONSTANT_InterfaceMethodref_info.png

CONSTNAT_Methodref_info 和 CONSTANT_InterfaceMethodref_info 只有 tag 值是不一样的。class_index 是一个指向常量池(constant_pool)数组的有效索引值，表示 Method 所属的类；name_and_type_index 是一个指向常量池(constant_pool)数组的有效索引值，表示 Method 的名称和返回类型。

举个栗子。定义如下代码。

public class ConstantPool {

    public void test() {
        method();
        IInterface obj = new InterfaceImpl();
        obj.interfaceMethod();
    }

    public void method() {}
}

interface IInterface {
    String interfaceMethod();
}

class InterfaceImpl implements IInterface {

    @Override
    public String interfaceMethod() {
        return "interfaceMethod";
    }
}

其被 java 编译器编译的 class 文件结构如下图所示。

Method 在 class 文件中的存储.png