學(xué)習(xí)Java的朋友應(yīng)該都知道Java從剛開始的時(shí)候就打著平臺(tái)無關(guān)性的旗號(hào)，說“一次編寫，到處運(yùn)行”，其實(shí)說到無關(guān)性，Java平臺(tái)還有另外一個(gè)無關(guān) 性那就是語言無關(guān)性，要實(shí)現(xiàn)語言無關(guān)性，那么Java體系中的class的文件結(jié)構(gòu)或者說是字節(jié)碼就顯得相當(dāng)重要了，其實(shí)Java從剛開始的時(shí)候就有兩套 規(guī)范，一個(gè)是Java語言規(guī)范，另外一個(gè)是Java虛擬機(jī)規(guī)范，Java語言規(guī)范只是規(guī)定了Java語言相關(guān)的約束以及規(guī)則，而虛擬機(jī)規(guī)范則才是真正從跨 平臺(tái)的角度去設(shè)計(jì)的。今天我們就以一個(gè)實(shí)際的例子來看看，到底Java中一個(gè)Class文件對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼應(yīng)該是什么樣子。 這篇文章將首先總體上闡述一下Class到底由哪些內(nèi)容構(gòu)成，然后再用一個(gè)實(shí)際的Java類入手去分析class的文件結(jié)構(gòu)。

在繼續(xù)之前，我們首先需要明確如下幾點(diǎn)：

1）Class文件是有8個(gè)字節(jié)為基礎(chǔ)的字節(jié)流構(gòu)成的，這些字節(jié)流之間都嚴(yán)格按照規(guī)定的順序排列，并且字節(jié)之間不存在任何空隙，對(duì)于超過8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，將按 照Big-Endian的順序存儲(chǔ)的，也就是說高位字節(jié)存儲(chǔ)在低的地址上面，而低位字節(jié)存儲(chǔ)到高地址上面，其實(shí)這也是class文件要跨平臺(tái)的關(guān)鍵，因?yàn)?PowerPC架構(gòu)的處理采用Big-Endian的存儲(chǔ)順序，而x86系列的處理器則采用Little-Endian的存儲(chǔ)順序，因此為了Class文 件在各中處理器架構(gòu)下保持統(tǒng)一的存儲(chǔ)順序，虛擬機(jī)規(guī)范必須對(duì)起進(jìn)行統(tǒng)一。

2） Class文件結(jié)構(gòu)采用類似C語言的結(jié)構(gòu)體來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，主要有兩類數(shù)據(jù)項(xiàng)，無符號(hào)數(shù)和表，無符號(hào)數(shù)用來表述數(shù)字，索引引用以及字符串等，比如 u1,u2,u4,u8分別代表1個(gè)字節(jié)，2個(gè)字節(jié)，4個(gè)字節(jié)，8個(gè)字節(jié)的無符號(hào)數(shù)，而表是有多個(gè)無符號(hào)數(shù)以及其它的表組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。可能大家看到這里 對(duì)無符號(hào)數(shù)和表到底是上面也不是很清楚，不過不要緊，等下面實(shí)例的時(shí)候，我會(huì)再以實(shí)例來解釋。

明確了上面的兩點(diǎn)以后，我們接下來后來看看Class文件中按照嚴(yán)格的順序排列的字節(jié)流都具體包含些什么數(shù)據(jù)：

（上圖來自The Java Virtual Machine Specification Java SE 7 Edition)

在看上圖的時(shí)候，有一點(diǎn)我們需要注意，比如cp_info，cp_info表示常量池，上圖中用 constant_pool[constant_pool_count-1]的方式來表示常量池有constant_pool_count-1個(gè)常量，它 這里是采用數(shù)組的表現(xiàn)形式，但是大家不要誤以為所有的常量池的常量長度都是一樣的，其實(shí)這個(gè)地方只是為了方便描述采用了數(shù)組的方式，但是這里并不像編程語 言那里，一個(gè)int型的數(shù)組，每個(gè)int長度都一樣。明確了這一點(diǎn)以后，我們?cè)诨剡^頭來看看上圖中每一項(xiàng)都具體代表了什么含義。

1）u4 magic 表示魔數(shù)，并且魔數(shù)占用了4個(gè)字節(jié)，魔數(shù)到底是做什么的呢？它其實(shí)就是表示一下這個(gè)文件的類型是一個(gè)Class文件，而不是一張JPG圖片，或者AVI的電影。而Class文件對(duì)應(yīng)的魔數(shù)是0xCAFEBABE.

2）u2 minor_version 表示Class文件的次版本號(hào)，并且此版本號(hào)是u2類型的無符號(hào)數(shù)表示。

3） u2 major_version 表示Class文件的主版本號(hào)，并且主版本號(hào)是u2類型的無符號(hào)數(shù)表示。major_version和minor_version主要用來表示當(dāng)前的虛擬 機(jī)是否接受當(dāng)前這種版本的Class文件。不同版本的Java編譯器編譯的Class文件對(duì)應(yīng)的版本是不一樣的。高版本的虛擬機(jī)支持低版本的編譯器編譯的 Class文件結(jié)構(gòu)。比如Java SE 6.0對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)支持Java SE 5.0的編譯器編譯的Class文件結(jié)構(gòu)，反之則不行。

4） u2 constant_pool_count 表示常量池的數(shù)量。這里我們需要重點(diǎn)來說一下常量池是什么東西，請(qǐng)大家不要與Jvm內(nèi)存模型中的運(yùn)行時(shí)常量池混淆了，Class文件中常量池主要存儲(chǔ)了字 面量以及符號(hào)引用，其中字面量主要包括字符串，final常量的值或者某個(gè)屬性的初始值等等，而符號(hào)引用主要存儲(chǔ)類和接口的全限定名稱，字段的名稱以及描 述符，方法的名稱以及描述符，這里名稱可能大家都容易理解，至于描述符的概念，放到下面說字段表以及方法表的時(shí)候再說。另外大家都知道Jvm的內(nèi)存模型中 有堆，棧，方法區(qū)，程序計(jì)數(shù)器構(gòu)成，而方法區(qū)中又存在一塊區(qū)域叫運(yùn)行時(shí)常量池，運(yùn)行時(shí)常量池中存放的東西其實(shí)也就是編譯器長生的各種字面量以及符號(hào)引用， 只不過運(yùn)行時(shí)常量池具有動(dòng)態(tài)性，它可以在運(yùn)行的時(shí)候向其中增加其它的常量進(jìn)去，最具代表性的就是String的intern方法。

5）cp_info 表示常量池，這里面就存在了上面說的各種各樣的字面量和符號(hào)引用。放到常量池的中數(shù)據(jù)項(xiàng)在The Java Virtual Machine Specification Java SE 7 Edition 中一共有14個(gè)常量，每一種常量都是一個(gè)表，并且每種常量都用一個(gè)公共的部分tag來表示是哪種類型的常量。

下面分別簡單描述一下具體細(xì)節(jié)等到后面的實(shí)例 中我們?cè)偌?xì)化。

6） u2 access_flags 表示類或者接口的訪問信息，具體如下圖所示：

7）u2 this_class 表示類的常量池索引，指向常量池中CONSTANT_Class_info的常量

8）u2 super_class 表示超類的索引，指向常量池中CONSTANT_Class_info的常量

9）u2 interface_counts 表示接口的數(shù)量

10）u2 interface[interface_counts]表示接口表，它里面每一項(xiàng)都指向常量池中CONSTANT_Class_info常量

11）u2 fields_count 表示類的實(shí)例變量和類變量的數(shù)量

12） field_info fields[fields_count]表示字段表的信息，其中字段表的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

上圖中access_flags表示字段的訪問表示，比如字段是public,private，protect 等，name_index表示字段名 稱，指向常量池中類型是CONSTANT_UTF8_info的常量，descriptor_index表示字段的描述符，它也指向常量池中類型為 CONSTANT_UTF8_info的常量，attributes_count表示字段表中的屬性表的數(shù)量，而屬性表是則是一種用與描述字段，方法以及 類的屬性的可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，不同版本的Java虛擬機(jī)所支持的屬性表的數(shù)量是不同的。

13） u2 methods_count表示方法表的數(shù)量

14）method_info 表示方法表，方法表的具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中access_flags表示方法的訪問表示，name_index表示名稱的索引，descriptor_index表示方法的描述 符，attributes_count以及attribute_info類似字段表中的屬性表，只不過字段表和方法表中屬性表中的屬性是不同的，比如方法 表中就Code屬性，表示方法的代碼，而字段表中就沒有Code屬性。其中具體Class中到底有多少種屬性，等到Class文件結(jié)構(gòu)中的屬性表的時(shí)候再 說說。

15） attribute_count表示屬性表的數(shù)量，說到屬性表，我們需要明確以下幾點(diǎn)：

上面說完了Class文件結(jié)構(gòu)中每一項(xiàng)的構(gòu)成以后，我們以一個(gè)實(shí)際的例子來解釋以下上面所說的內(nèi)容。

下面我們就根據(jù)前面所說的Class的文件結(jié)構(gòu)來解析以下上圖中字節(jié)流。

1）魔數(shù)
從Class的文件結(jié)構(gòu)我們知道，剛開始的4個(gè)字節(jié)是魔數(shù)，上圖中從地址00000000h-00000003h的內(nèi)容就是魔數(shù)，從上圖可知Class的文件的魔數(shù)是0xCAFEBABE。

2）主次版本號(hào)
接下來的4個(gè)字節(jié)是主次版本號(hào)，有上圖可知從00000004h-00000005h對(duì)應(yīng)的是0×0000,因此Class的minor_version 為0×0000,從00000006h-00000007h對(duì)應(yīng)的內(nèi)容為0×0032,因此Class文件的major_version版本為 0×0032,這正好就是jdk1.6.0不帶target參數(shù)編譯后的Class對(duì)應(yīng)的主次版本。

3）常量池的數(shù)量
接下來的2個(gè)字節(jié)從00000008h-00000009h表示常量池的數(shù)量，由上圖可以知道其值為0×0018，十進(jìn)制為24個(gè),但是對(duì)于常量池的數(shù)量 需要明確一點(diǎn)，常量池的數(shù)量是constant_pool_count-1，為什么減一，是因?yàn)樗饕?表示class中的數(shù)據(jù)項(xiàng)不引用任何常量池中的常 量。

4）常量池
我們上面說了常量池中有不同類型的常量，下面就來看看TestClass.class的第一個(gè)常量，我們知道每個(gè)常量都有一個(gè)u1類型的tag標(biāo)識(shí)來表示 常量的類型，上圖中0000000ah處的內(nèi)容為0x0A，轉(zhuǎn)換成二級(jí)制是10，有上面的關(guān)于常量類型的描述可知tag為10的常量是Constant_Methodref_info,而Constant_Methodref_info的結(jié)夠如下圖所示：

其中class_index指向常量池中類型為CONSTANT_Class_info的常量，從TestClass的二進(jìn)制文件結(jié)構(gòu)中可以看出 class_index的值為0×0004（地址為0000000bh-0000000ch)，也就是說指向第四個(gè)常量。

name_and_type_index指向常量池中類型為CONSTANT_NameAndType_info常量。從上圖可以看出name_and_type_index的值為0×0013，表示指向常量池中的第19個(gè)常量。

接下來又可以通過同樣的方法來找到常量池中的所有常量。不過JDK提供了一個(gè)方便的工具可以讓我們查看常量池中所包含的常量。通過javap -verbose TestClass 即可得到所有常量池中的常量，截圖如下：

從上圖我們可以清楚的看到，TestClass中常量池有24個(gè)常量，不要忘記了第0個(gè)常量，因?yàn)榈?個(gè)常量被用來表示 Class中的數(shù)據(jù)項(xiàng)不引用任何常量池中的常量。從上面的分析中我們得知TestClass的第一個(gè)常量表示方法，其中class_index指向的第四 個(gè)常量為java/lang/Object，name_and_type_index指向的第19個(gè)常量值為<init>:()V,從這里可 以看出第一個(gè)表示方法的常量表示的是java編譯器生成的實(shí)例構(gòu)造器方法。通過同樣的方法可以分析常量池的其它常量。OK，分析完常量池，我們接下來再分 析下access_flags。
5）u2 access_flags 表示類或者接口方面的訪問信息，比如Class表示的是類還是接口，是否為public,static，final等。具體訪問標(biāo)示的含義之前已經(jīng)說過 了，下面我們就來看看TestClass的訪問標(biāo)示。Class的訪問標(biāo)示是從0000010dh-0000010e，期值為0×0021，根據(jù)前面說的 各種訪問標(biāo)示的標(biāo)志位，我們可以知道：0×0021=0×0001|0×0020 也即ACC_PUBLIC 和 ACC_SUPER為真，其中ACC_PUBLIC大家好理解，ACC_SUPER是jdk1.2之后編譯的類都會(huì)帶有的標(biāo)志。

6）u2 this_class 表示類的索引值，用來表示類的全限定名稱，類的索引值如下圖所示：

從上圖可以清楚到看到，類索引值為0×0003，對(duì)應(yīng)常量池的第三個(gè)常量，通過javap的結(jié)果，我們知道第三個(gè)常量為 CONSTANT_Class_info類型的常量，通過它可以知道類的全限定名稱為：com/ejushang/TestClass /TestClass

7）u2 super_class 表示當(dāng)前類的父類的索引值，索引值所指向的常量池中類型為CONSTANT_Class_info的常量，父類的索引值如下圖所示，其值為0×0004, 查看常量池的第四個(gè)常量，可知TestClass的父類的全限定名稱為：java/lang/Object

8）interfaces_count和 interfaces[interfaces_count]表示接口數(shù)量以及具體的每一個(gè)接口，TestClass的接口數(shù)量以及接口如下圖所示，其中 0×0001表示接口數(shù)量為1，而0×0005表示接口在常量池的索引值，找到常量池的第五個(gè)常量，其類型為CONSTANT_Class_info，其 值為：com/ejushang/TestClass/Super

9）fields_count 和 field_info, fields_count表示類中field_info表的數(shù)量，而field_info表示類的實(shí)例變量和類變量，這里需要注意的是 field_info不包含從父類繼承過來的字段，field_info的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中access_flags表示字段的訪問標(biāo)示，比如public,private,protected，static,final等，access_flags的取值如下圖所示：

其中name_index 和 descriptor_index都是常量池的索引值，分別表示字段的名稱和字段的描述符，字段的名稱容易理解，但是字段的描述符如何理解呢？其實(shí)在JVM 規(guī)范中，對(duì)于字段的描述符規(guī)定如下圖所示：

首先我們來看一下字段的數(shù)量，TestClass的字段的數(shù)量如下圖所示：

從上圖中可以看出TestClass有兩個(gè)字段，查看TestClass的源代碼可知，確實(shí)也只有兩個(gè)字段，接下來我們看看第一個(gè)字段，我們知道第一個(gè)字段應(yīng)該為private int staticVar,它在Class文件中的二進(jìn)制表示如下圖所示：

其中0x001A表示訪問標(biāo)示，通過查看access_flags表可知，其為ACC_PRIVATE,ACC_STATIC,ACC_FINAL,接下 來0×0006和0×0007分別表示常量池中第6和第7個(gè)常量，通過查看常量池可知，其值分別為：staticVar和I，其中staticVar為字 段名稱，而I為字段的描述符，通過上面對(duì)描述符的解釋，I所描述的是int類型的變量，接下來0×0001表示staticVar這個(gè)字段表中的屬性表的 數(shù)量，從上圖可以staticVar字段對(duì)應(yīng)的屬性表有1個(gè)，0×0008表示常量池中的第8個(gè)常量，查看常量池可以得知此屬性為 ConstantValue屬性，而ConstantValue屬性的格式如下圖所示：

其中attribute_name_index表述屬性名的常量池索引，本例中為ConstantValue，而ConstantValue的 attribute_length固定長度為2，而constantValue_index表示常量池中的引用，本例中，其中為0×0009，查看第9個(gè) 常量可以知道，它表示一個(gè)類型為CONSTANT_Integer_info的常量，其值為0。

上面說完了private static final int staticVar=0，下面我們接著說一下TestClass的private int instanceVar=0,在本例中對(duì)instanceVar的二進(jìn)制表示如下圖所示：

其中0×0002表示訪問標(biāo)示為ACC_PRIVATE,0x000A表示字段的名稱，它指向常量池中的第10個(gè)常量，查看常量池可以知道字段名稱為 instanceVar，而0×0007表示字段的描述符，它指向常量池中的第7個(gè)常量，查看常量池可以知道第7個(gè)常量為I，表示類型為 instanceVar的類型為I，最后0×0000表示屬性表的數(shù)量為0.

10）methods_count 和 method_info ，其中methods_count表示方法的數(shù)量，而method_info表示的方法表，其中方法表的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

從上圖可以看出method_info和field_info的結(jié)構(gòu)是很類似的，方法表的access_flag的所有標(biāo)志位以及取值如下圖所示：

其中name_index和descriptor_index表示的是方法的名稱和描述符，他們分別是指向常量池的索引。這里需要結(jié)解釋一下方法的描述 符，方法的描述符的結(jié)構(gòu)為：（參數(shù)列表）返回值，比如public int instanceMethod(int param)的描述符為：（I）I，表示帶有一個(gè)int類型參數(shù)且返回值也為int類型的方法，接下來就是屬性數(shù)量以及屬性表了，方法表和字段表雖然都有 屬性數(shù)量和屬性表，但是他們里面所包含的屬性是不同。接下來我們就以TestClass來看一下方法表的二進(jìn)制表示。首先來看一下方法表數(shù)量，截圖如下：

從上圖可以看出方法表的數(shù)量為0×0002表示有兩個(gè)方法，接下來我們來分析第一個(gè)方法，我們首先來看一下TestClass的第一個(gè)方法的access_flag，name_index,descriptor_index，截圖如下：

從上圖可以知道access_flags為0×0001，從上面對(duì)access_flags標(biāo)志位的描述，可知方法的access_flags的取值為 ACC_PUBLIC,name_index為0x000B，查看常量池中的第11個(gè)常量，知道方法的名稱為<init>，0x000C表示 descriptor_index表示常量池中的第12常量，其值為()V,表示<init>方法沒有參數(shù)和返回值，其實(shí)這是編譯器自動(dòng)生成 的實(shí)例構(gòu)造器方法。接下來的0×0001表示<init>方法的方法表有1個(gè)屬性，屬性截圖如下：

從上圖可以看出0x000D對(duì)應(yīng)的常量池中的常量為Code,表示的方法的Code屬性，所以到這里大家應(yīng)該明白方法的那些代碼是存儲(chǔ)在Class文件方法表中的屬性表中的Code屬性中。接下來我們?cè)诜治鲆幌翪ode屬性，Code屬性的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中attribute_name_index指向常量池中值為Code的常量，attribute_length的長度表示Code屬性表的長度（這里 需要注意的時(shí)候長度不包括attribute_name_index和attribute_length的6個(gè)字節(jié)的長度）。

max_stack表示最大棧深度，虛擬機(jī)在運(yùn)行時(shí)根據(jù)這個(gè)值來分配棧幀中操作數(shù)的深度，而max_locals代表了局部變量表的存儲(chǔ)空間。

max_locals的單位為slot，slot是虛擬機(jī)為局部變量分配內(nèi)存的最小單元，在運(yùn)行時(shí)，對(duì)于不超過32位類型的數(shù)據(jù)類型，比如 byte,char,int等占用1個(gè)slot，而double和Long這種64位的數(shù)據(jù)類型則需要分配2個(gè)slot，另外max_locals的值并 不是所有局部變量所需要的內(nèi)存數(shù)量之和，因?yàn)閟lot是可以重用的，當(dāng)局部變量超過了它的作用域以后，局部變量所占用的slot就會(huì)被重用。

code_length代表了字節(jié)碼指令的數(shù)量，而code表示的時(shí)候字節(jié)碼指令，從上圖可以知道code的類型為u1,一個(gè)u1類型的取值為0×00-0xFF,對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制為0-255，目前虛擬機(jī)規(guī)范已經(jīng)定義了200多條指令。

exception_table_length以及exception_table分別代表方法對(duì)應(yīng)的異常信息。

attributes_count和attribute_info分別表示了Code屬性中的屬性數(shù)量和屬性表，從這里可以看出Class的文件結(jié)構(gòu)中，屬性表是很靈活的，它可以存在于Class文件，方法表，字段表以及Code屬性中。

接下來我們繼續(xù)以上面的例子來分析一下，從上面init方法的Code屬性的截圖中可以看出，屬性表的長度為0×00000026,max_stack的 值為0×0002,max_locals的取值為0×0001,code_length的長度為0x0000000A，那么00000149h- 00000152h為字節(jié)碼，接下來exception_table_length的長度為0×0000，而attribute_count的值為 0×0001，00000157h-00000158h的值為0x000E,它表示常量池中屬性的名稱，查看常量池得知第14個(gè)常量的值為 LineNumberTable，LineNumberTable用于描述java源代碼的行號(hào)和字節(jié)碼行號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它不是運(yùn)行時(shí)必需的屬性，如果通 過-g:none的編譯器參數(shù)來取消生成這項(xiàng)信息的話，最大的影響就是異常發(fā)生的時(shí)候，堆棧中不能顯示出出錯(cuò)的行號(hào)，調(diào)試的時(shí)候也不能按照源代碼來設(shè)置斷 點(diǎn)，接下來我們?cè)倏匆幌翷ineNumberTable的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中attribute_name_index上面已經(jīng)提到過，表示常量池的索引，attribute_length表示屬性長度，而start_pc和 line_number分表表示字節(jié)碼的行號(hào)和源代碼的行號(hào)。本例中LineNumberTable屬性的字節(jié)流如下圖所示：

上面分析完了TestClass的第一個(gè)方法，通過同樣的方式我們可以分析出TestClass的第二個(gè)方法，截圖如下：

其中access_flags為0×0001,name_index為0x000F,descriptor_index為0×0010，通過查看常量池可 以知道此方法為public int instanceMethod(int param)方法。通過和上面類似的方法我們可以知道instanceMethod的Code屬性為下圖所示：

最后我們來分析一下，Class文件的屬性，從00000191h-00000199h為Class文件中的屬性表，其中0×0011表示屬性的名稱，查看常量池可以知道屬性名稱為SourceFile，我們?cè)賮砜纯碨ourceFile的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中attribute_length為屬性的長度，sourcefile_index指向常量池中值為源代碼文件名稱的常量，在本例中SourceFile屬性截圖如下：

其中attribute_length為0×00000002表示長度為2個(gè)字節(jié)，而soucefile_index的值為0×0012,查看常量池的第18個(gè)常量可以知道源代碼文件的名稱為TestClass.java

最后，希望對(duì)技術(shù)感興趣的朋友多交流。個(gè)人微博：（http://weibo.com/xmuzyq)