【修炼内功】[JVM] 类文件结构

本文已收录【修炼内功】跃迁之路

学习C语言的时候，需要在不同的目标操作系统上(或者使用交叉编译环境)，(使用正确的CPU指令集)编译成对应操作系统可运行的执行文件，才可以在相应的系统上运行，如果使用操作系统差异性的库或者接口，还需要针对不同的系统做不同的处理(宏)

Java的出现也正是为了解决"平台无关性"，"Write Once, Run Anywhere"的口号也充分表达了软件开发人员对冲破平台接线的渴求

"与平台无关"的最终实现还是要在操作系统的应用层上，这便是JVM的存在，不同的平台有不同的JVM，而所有的JVM都可以载入与平台无关的字节码，从而实现程序的"一次编写，到处运行"

JVM并非只为Java设计，而字节码也并非只有Java才可以编译得到，早在Java发展之初，设计者便将Java规范拆分为 Java语言规范 及 Java虚拟机规范 ，同时也承诺，对JVM做适当的扩展，以便更好地支持其他语言运行于JVM之上，而这一切的基础便是Class文件(字节码文件)，Class文件中存放了JVM可以理解运行的字节码命令

In the future, we will consider bounded extensions to th Java virtual machine to provide better support for other languages

JVM并不关心Class的来源是何种语言，在JVM发展到1.7~1.8的时候，设计者通过JSR-292基本兑现了以上承诺

本篇不会去详细地介绍如何去解析Class文件，目的是为了了解Class文件的结构，Class文件中都包含哪些内容

Class文件可以由JVM加载并执行，其中记录了类信息、变量信息、方法信息、字节码指令等等，虽然JVM加载Class之后(在JIT之前)进行的是解释执行，但Class文件并不是文本文件，而是被严格定义的二进制流文件

接下来，均会以这段代码为示例进行分析

import java.io.Serializable;

public class ClassStruct implements Serializable {
    private static final String HELLO = "hello";
    private String name;

    public ClassStruct(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void print() {
        System.out.println(HELLO + ": " + name);
    }

    public static void main(String[] args) {
        ClassStruct classStruct = new ClassStruct("ManerFan");
        classStruct.print();
    }
}

使用 $ javac ClassStruct.java 进行编译，编译后的文件可以使用 $ javap -p -v ClassStruct 查看Class文件的内容(见文章末尾)

魔数

很多文件存储都会使用魔数来进行身份识别，比如图片文件，即使将图片文件改为不正确的后缀，绝大多数图片预览器也会正确解析

同样Class文件也不例外，使用二进制模式打开Class文件，会发现所有Class文件的前四个字节均为 OxCAFEBABE ，这个魔术在Java还被称为"Oak"语言的时候就已经确定下来了

版本号

紧接着魔术的四个字节(接下来不再对照二进制进行查看，而是直接查看javap帮我们解析出来的结果，见文章末尾)存储的是Class文件的版本号，前两个字节为次版本号(minor version)，后两个字节为主版本号(major version)

Java版本号从45开始，高版本的JDK可以向下兼容低版本的Class文件，但无法向上兼容高版本，即使文件格式并未发生变化

常量池

紧接着主次版本号之后的是常量池入口

常量池中主要存放两大类常量：字面量(Literal)和符号引用(Symbolic Reference)

字面量：如文本字符串、被声明为final的常量值等

符号引用：类和接口的全限定名(Fully Qualified Name)、字段的名称和描述(Descriptor)、方法的名称和描述符

Java代码在进行编译时，并不像C或C++那样有"连接"这一步骤，而是在虚拟机加载Class文件时进行动态连接，Class文件中不会保存各方法和字段的内存布局，在虚拟机运行时，需要从常量池中获得对应的符号引用，再在类创建或运行时解析并翻译到具体的内存地址中，才能被虚拟机使用

访问标志

访问标志用于识别一些类或接口层次的访问信息

访问标志用于识别这个Class是类还是接口；是否定义为public；是否为abstract类型；是否声明为final；等等，具体标志含义如下

类索引、父类索引、接口索引集合

Class文件中由类索引(this_class)、父类索引(super_class)及接口索引集合(interfaces)三项数据确定这个类的继承关系

父类索引只有一个(对应extends语句)，而接口索引则是一个集合(对应implements语句)

字段表集合

字段表(field_info)用于描述类或者接口中声明的变量

字段(field)包括了类级变量(如static)及实例级变量，但不包括在方法内部声明的变量

字段包含的信息有：作用域(public、private、protected)、类级还是实例级(static)、可变性(final)、并发可见性(volatile)、可否序列化(transient)、数据类型、字段名等

描述符

这里简单解释一下描述符(descriptor)

描述符用来描述字段数据类型、方法参数列表和返回值，根据描述符规则，基本数据类型及代表无返回值的void类型都用一个大写字符表示，对象类型则用字符 L 加对象全限定名来表示

对于数组，每一个维度使用一个前置的 [ 来描述，如 java.lang.String[][] 将被记录为 [[java/lang/String; ， int[] 将被记录为 [I

描述方法时，按照先参数列表，后返回值的顺序描述，参数列表放在 () 内，如 void inc() 描述符为 ()V ，方法 java.lang.String toString() 描述符为 ()Ljava/lang/String; ，方法 int indexOf(char[] source, int sourceOffset, int sourceCount, char[] target, int targetOffset, int targetCount, int fromIndex 的描述符为 ([CII[CIII)I

方法表集合

Class文件中对方法的描述与对字段的描述几乎采用了完全一致的方式，方法表的结构依次包括了访问标志(access_flags)、名称索引(name_index)、描述符索引(descriptor_index)、属性表集合(attributes)，但是方法内部的代码并不在方法表中，而是经过编译器编译成字节码指令后，存放在属性表集合中一个名为"Code"的属性中

属性表集合

在Class文件、字段表、方法表中都可以携带自己的属性表集合，用于描述某些场景专有的信息，Java虚拟机规范中预定义了9种虚拟机实现应当能识别的属性

关于属性表，会在之后的文章中穿插介绍

附：Class文件

Classfile ~/articles/【修炼内功】跃迁之路/JVM/[JVM] 类文件结构/src/ClassStruct.class
  Last modified 2019-6-2; size 829 bytes
  MD5 checksum 9f7454acd0455837a33ff8e03edffdb3
  Compiled from "ClassStruct.java"
public class ClassStruct implements java.io.Serializable
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #14.#31        // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #6.#32         // ClassStruct.name:Ljava/lang/String;
   #3 = Fieldref           #33.#34        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #4 = Class              #35            // java/lang/StringBuilder
   #5 = Methodref          #4.#31         // java/lang/StringBuilder."<init>":()V
   #6 = Class              #36            // ClassStruct
   #7 = String             #37            // hello:
   #8 = Methodref          #4.#38         // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   #9 = Methodref          #4.#39         // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
  #10 = Methodref          #40.#41        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #11 = String             #42            // ManerFan
  #12 = Methodref          #6.#43         // ClassStruct."<init>":(Ljava/lang/String;)V
  #13 = Methodref          #6.#44         // ClassStruct.print:()V
  #14 = Class              #45            // java/lang/Object
  #15 = Class              #46            // java/io/Serializable
  #16 = Utf8               HELLO
  #17 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               ConstantValue
  #19 = String             #47            // hello
  #20 = Utf8               name
  #21 = Utf8               <init>
  #22 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #23 = Utf8               Code
  #24 = Utf8               LineNumberTable
  #25 = Utf8               print
  #26 = Utf8               ()V
  #27 = Utf8               main
  #28 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #29 = Utf8               SourceFile
  #30 = Utf8               ClassStruct.java
  #31 = NameAndType        #21:#26        // "<init>":()V
  #32 = NameAndType        #20:#17        // name:Ljava/lang/String;
  #33 = Class              #48            // java/lang/System
  #34 = NameAndType        #49:#50        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #35 = Utf8               java/lang/StringBuilder
  #36 = Utf8               ClassStruct
  #37 = Utf8               hello:
  #38 = NameAndType        #51:#52        // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #39 = NameAndType        #53:#54        // toString:()Ljava/lang/String;
  #40 = Class              #55            // java/io/PrintStream
  #41 = NameAndType        #56:#22        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #42 = Utf8               ManerFan
  #43 = NameAndType        #21:#22        // "<init>":(Ljava/lang/String;)V
  #44 = NameAndType        #25:#26        // print:()V
  #45 = Utf8               java/lang/Object
  #46 = Utf8               java/io/Serializable
  #47 = Utf8               hello
  #48 = Utf8               java/lang/System
  #49 = Utf8               out
  #50 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #51 = Utf8               append
  #52 = Utf8               (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #53 = Utf8               toString
  #54 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #55 = Utf8               java/io/PrintStream
  #56 = Utf8               println
{
  private static final java.lang.String HELLO;
    descriptor: Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_FINAL
    ConstantValue: String hello

  private java.lang.String name;
    descriptor: Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PRIVATE

  public ClassStruct(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: aload_1
         6: putfield      #2                  // Field name:Ljava/lang/String;
         9: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
        line 8: 4
        line 9: 9

  public void print();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: new           #4                  // class java/lang/StringBuilder
         6: dup
         7: invokespecial #5                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        10: ldc           #7                  // String hello:
        12: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        15: aload_0
        16: getfield      #2                  // Field name:Ljava/lang/String;
        19: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        22: invokevirtual #9                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
        25: invokevirtual #10                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        28: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 28

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=3, locals=2, args_size=1
         0: new           #6                  // class ClassStruct
         3: dup
         4: ldc           #11                 // String ManerFan
         6: invokespecial #12                 // Method "<init>":(Ljava/lang/String;)V
         9: astore_1
        10: aload_1
        11: invokevirtual #13                 // Method print:()V
        14: return
      LineNumberTable:
        line 16: 0
        line 17: 10
        line 18: 14
}
SourceFile: "ClassStruct.java"