在上一篇博客中, 大致讲解了Java虚拟机的体系结构和执行原理。 本篇博客主要讲解能够被JVM识别, 加载并执行的class文件的格式。
对于理解JVM和深入理解Java语言, 学习并了解class文件的格式都是必须要掌握的功课。 原因很简单, JVM不会理解我们写的Java源文件, 我们必须把Java源文件编译成class文件, 才能被JVM识别, 对于JVM而言, class文件相当于一个接口, 理解了这个接口, 能帮助我们更好的理解JVM的行为;另一方面, class文件以另一种方式重新描述了我们在源文件中要表达的意思, 理解class文件如何重新描述我们编写的源文件, 对于深入理解Java语言和语法都是很有帮助的。 另外, 不管是什么语言, 只要能编译成class文件, 都能被JVM识别并执行, 所以class文件不仅是跨平台的基础, 也是JVM跨语言的基础, 理解了class文件格式, 对于我们学习基于JVM的其他语言会有很大帮助。
总之, 在整个Java技术体系结构中, class文件处于中间的位置, 对于理解整个体系有着承上启下的作用。 如图所示:
类型 | 名称 | 数量 |
u4 | magic | 1 |
u2 | minor_version | 1 |
u2 | major_version | 1 |
u2 | constant_pool_count | 1 |
cp_info | constant_pool | constant_pool_count - 1 |
u2 | access_flags | 1 |
u2 | this_class | 1 |
u2 | super_class | 1 |
u2 | interfaces_count | 1 |
u2 | interfaces | interfaces_count |
u2 | fields_count | 1 |
field_info | fields | fields_count |
u2 | methods_count | 1 |
method_info | methods | methods_count |
u2 | attribute_count | 1 |
attribute_info | attributes | attributes_count |
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。
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。
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:
常量池中数据项类型 | 类型标志 | 类型描述 |
CONSTANT_Utf8 | 1 | UTF-8编码的Unicode字符串 |
CONSTANT_Integer | 3 | int类型字面值 |
CONSTANT_Float | 4 | float类型字面值 |
CONSTANT_Long | 5 | long类型字面值 |
CONSTANT_Double | 6 | double类型字面值 |
CONSTANT_Class | 7 | 对一个类或接口的符号引用 |
CONSTANT_String | 8 | String类型字面值 |
CONSTANT_Fieldref | 9 | 对一个字段的符号引用 |
CONSTANT_Methodref | 10 | 对一个类中声明的方法的符号引用 |
CONSTANT_InterfaceMethodref | 11 | 对一个接口中声明的方法的符号引用 |
CONSTANT_NameAndType | 12 | 对一个字段或方法的部分符号引用 |
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
在详细讲解常量池中的各个数据项之前, 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。 要理解常量池中的各个数据项, 必须先了解这些特殊字符串。
对于class文件的讲解会在后续博文中继续, 欢迎关注。
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原文出自:http://blog.csdn.net/zhangjg_blog/article/details/21486985
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