Class 文件结构

概览[1]

ClassFile {
    u4               magic; // 魔数 0xCAFEBABE
    u2               minor_version; // 小版本 0
    u2               major_version; // 大版本 52 [1.8]
    u2               constant_pool_count; //常量池大小
    cp_info[]        constant_pool[constant_pool_count-1]; // 常量池
    u2               access_flags; // 访问标记 0x0021 [public]
    u2               this_class; // 当前类 cp_info #8  <lighk/springdemo/classformat/WuKong>
    u2               super_class; // 父类 cp_info #2  <java/lang/Object>
    u2               interfaces_count; // 接口数量
    u2[]             interfaces[interfaces_count]; // 接口信息
    u2               fields_count;  // 字段数量
    field_info[]     fields[fields_count]; // 字段信息 
    u2               methods_count; // 方法数量
    method_info[]    methods[methods_count]; //方法信息
    u2               attributes_count; // 属性数量
    attribute_info[] attributes[attributes_count]; // 属性信息
}

魔数

每个 class 文件开始的 4 个字节 0xCAFE BABE 被成为魔数（Magic Number）,主要用来确认当前文件是否为 JVM 可解析的 class 文件。

版本

魔数后的四个字节是 class 文件的版本号。5、6 字节是次版本号，7、8 字节是主版本号（Java 8 的 class 版本是 52）。

常量池

版本之后是 2 个字节的常量池的容量，这两个字节之后就是常量池，它包含了类、接口、字段和方法中使用的常量。

备注

常量池的索引是从 1 开始，所以容量为 23 代表有 22 个常量

常量池的定义如下：

cp_info {
    u1 tag; // 常量类型
    u1 info[];
}

常量分类

tag 代表常量类型，不同的常量类型，其 info 结构的第一个字节又是 tag，具体的常量类型如下：

类 型	标 志	描 述
CONSTANT_Utf8_info	1	UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info	3	整型字面量
CONSTANT_Float_info	4	浮点型字面量
CONSTANT_Long_info	5	长整型字面量
CONSTANT_Double_info	6	双精度浮点型字面量
CONSTANT_Class_info	7	类或接口的符号引用
CONSTANT_String_info	8	字符串类型字面量
CONSTANT_Fieldref_info	9	字段的符号引用
CONSTANT_Methodref_info	10	类中方法的符号引用
CONSTANT_InterfaceMethodref_info	11	接口中方法的符号引用
CONSTANT_NameAndType_info	12	字段或方法的部分符号引用
CONSTANT_MethodHandle_info	15	表示方法句柄
CONSTANT_MethodType_info	16	表示方法类型
CONSTANT_Dynamic_info	17	表示一个动态计算常量
CONSTANT_InvokeDynamic_info	18	表示一个动态方法调用点
CONSTANT_Module_info	19	表示一个模块
CONSTANT_Package_info	20	表示一个模块中开放或者导出的包

这些类型可以分为两类：

• 原子类型：不需要其他子类型来表示，CONSTANT_Utf8_info

• 复杂类型：需要其他复杂类型或原子类型来表示

比如 CONSTANT_Class_info –> CONSTANT_Utf8_info

CONSTANT_Class_info {
    u1 tag;
    u2 name_index; // name_index 为常量池的索引，指向的常量为 tag CONSTANT_Utf8_info
}
CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag;
    u2 length;
    u1 bytes[length];
}

实例

从 8 个字节开始[2]：

• 0x0016：常量池容量，常量池最大索引为 23，总共有 22 个常量

• 0x07： 查表发现 tag 为 7 代表当前常量为 CONSTANT_Class_info 类型，那么接下来 2 个字节为 name_index

• 0x0002：CONSTANT_Class_info 的 name_index 值为 2, 代表类名称在类名称在常量池中的索引为 2

• 0x01： 查表发现 tag 为 7 代表当前常量为 CONSTANT_Utf8_info 类型，那么接下来 2 个字节为 length

• 0x001D： CONSTANT_Utf8_info 的length 值为 29，那么接下来 29 个字节都是CONSTANT_Utf8_info的bytes字段值，也就是 UTF8 字符串org/fenixsoft/clazz/TestClass

访问标记

在常量池结束之后，紧接着的2个字节代表访问标志（access_flags），这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息，包括：

• 这个Class是类还是接口；

• 是否定义为public类型；

• 是否定义为abstract类型；

• 如果是类的话，是否被声明为final；

Flag Name	Value	Interpretation
ACC_PUBLIC	0x0001	Declared public; may be accessed from outside its package.
ACC_FINAL	0x0010	Declared final; no subclasses allowed.
ACC_SUPER	0x0020	Treat superclass methods specially when invoked by the invokespecial instruction.
ACC_INTERFACE	0x0200	Is an interface, not a class.
ACC_ABSTRACT	0x0400	Declared abstract; must not be instantiated.
ACC_SYNTHETIC	0x1000	Declared synthetic; not present in the source code.
ACC_ANNOTATION	0x2000	Declared as an annotation interface.
ACC_ENUM	0x4000	Declared as an enum class.
ACC_MODULE	0x8000	Is a module, not a class or interface.

当前类

u2 类型，即两个字节，存储的就是常量池的索引

u2 –> CONSTANT_Class_info –> CONSTANT_Utf8_info

父类

u2 类型，即两个字节，存储的就是常量池的索引

u2 –> CONSTANT_Class_info –> CONSTANT_Utf8_info

接口

首先是一个 u2 类型，代表接口表大小，即接口数量，然后就是一个 u2 的接口数组，元素的值直接就是常量池的索引。

字段

首先是一个 u2 类型，代表字段表大小，即字段数量，然后就是一个 field_info 的数组，其中 field_info 定义如下：

field_info {
    u2             access_flags; // 字段访问标记
    u2             name_index;   // 字段名称在常量池的索引
    u2             descriptor_index; // 字段描述符在常量池的索引
    u2             attributes_count; // 此字段的属性表大小
    attribute_info attributes[attributes_count]; // 此字段的属性表
}

字段访问标记定义：

Flag Name	Value	Interpretation
ACC_PUBLIC	0x0001	Declared public; may be accessed from outside its package.
ACC_PRIVATE	0x0002	Declared private; accessible only within the defining class and other classes belonging to the same nest (§5.4.4).
ACC_PROTECTED	0x0004	Declared protected; may be accessed within subclasses.
ACC_STATIC	0x0008	Declared static.
ACC_FINAL	0x0010	Declared final; never directly assigned to after object construction (JLS §17.5).
ACC_VOLATILE	0x0040	Declared volatile; cannot be cached.
ACC_TRANSIENT	0x0080	Declared transient; not written or read by a persistent object manager.
ACC_SYNTHETIC	0x1000	Declared synthetic; not present in the source code.
ACC_ENUM	0x4000	Declared as an element of an enum class.

如果将字段的声明改为final static int m=123；，那就可能会存在一项名称为 ConstantValue 的属性，其值指向常量123

方法

首先是一个 u2 类型，代表方法表大小，即方法数量，然后就是一个 method_info 的数组，其中 method_info 定义如下：

method_info {
    u2             access_flags; // 方法访问标记
    u2             name_index;   // 方法名称在常量池的索引
    u2             descriptor_index; // 方法描述符在常量池的索引
    u2             attributes_count; // 此方法的属性表大小
    attribute_info attributes[attributes_count]; // 此方法的属性表
}

方法访问标记定义如下：

Flag Name	Value	Interpretation
ACC_PUBLIC	0x0001	Declared public; may be accessed from outside its package.
ACC_PRIVATE	0x0002	Declared private; accessible only within the defining class and other classes belonging to the same nest (§5.4.4).
ACC_PROTECTED	0x0004	Declared protected; may be accessed within subclasses.
ACC_STATIC	0x0008	Declared static.
ACC_FINAL	0x0010	Declared final; must not be overridden (§5.4.5).
ACC_SYNCHRONIZED	0x0020	Declared synchronized; invocation is wrapped by a monitor use.
ACC_BRIDGE	0x0040	A bridge method, generated by the compiler.
ACC_VARARGS	0x0080	Declared with variable number of arguments.
ACC_NATIVE	0x0100	Declared native; implemented in a language other than the Java programming language.
ACC_ABSTRACT	0x0400	Declared abstract; no implementation is provided.
ACC_STRICT	0x0800	In a class file whose major version number is at least 46 and at most 60: Declared strictfp.
ACC_SYNTHETIC	0x1000	Declared synthetic; not present in the source code.

备注

Java 语言的特征签名和字节码的特征签名定义不同，具体如下：

• Java：方法名称、参数顺序、参数类型

• 字节码：方法名称、参数顺序、参数类型、方法返回值、受查异常表

属性

Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以描述某些场景专有的信息。 首先是一个 u2 类型，代表属性表大小，即属性数量，然后就是一个 attribute_info 的数组，其中 attribute_info 定义如下：

attribute_info {
    u2 attribute_name_index; // 属性名称在常量池的索引
    u4 attribute_length;     // 属性长度
    u1 info[attribute_length]; // 属性内容，不同属性，其 info 结构不同
}

属性表中的属性名称是一个字符串，它指定了属性的类型和作用。常见的属性类型包括：

• ConstantValue：用于描述字段的常量值。

• Code：用于描述方法的字节码指令和异常处理器信息。

• LineNumberTable：用于描述代码行号和字节码指令之间的映射关系。

• SourceFile：用于描述源文件名称。

• InnerClasses：用于描述内部类的信息。

• Signature：用于描述泛型类型参数的签名信息。

• RuntimeVisibleAnnotations 和 RuntimeInvisibleAnnotations：用于描述注解信息。

这里列举一些常见属性

Code 属性

Code_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 max_stack;
    u2 max_locals;
    u4 code_length;
    u1 code[code_length];
    u2 exception_table_length;
    {   u2 start_pc;
        u2 end_pc;
        u2 handler_pc;
        u2 catch_type;
    } exception_table[exception_table_length];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

Exceptions 属性

这是 方法表中method_info中的属性，代表方法可能引发的已检查异常，与 Code 属性 中的异常表不是一个概念。

Exceptions_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 number_of_exceptions;
    u2 exception_index_table[number_of_exceptions];
}

LineNumberTable 属性

LineNumberTable_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 line_number_table_length;
    {   u2 start_pc;
        u2 line_number;	
    } line_number_table[line_number_table_length];
}

LocalVariableTable 属性

调试器可以使用它来确定方法执行期间给定局部变量的值，描述栈帧中局部变量表的变量与Java源码中定义的变量之间的关系。

LocalVariableTable_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 local_variable_table_length;
    {   u2 start_pc;
        u2 length;
        u2 name_index;
        u2 descriptor_index;
        u2 index;
    } local_variable_table[local_variable_table_length];
}

相似的 LocalVariableTypeTable 属性的作用是为编译器和调试器提供局部变量的类型信息，以便在编译和调试时进行类型检查和类型推断。

ConstantValue

ConstantValue属性的作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值。只有被static关键字修饰的变量（类变量）才可以使用这项属性。

ConstantValue_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length; // 固定为 2
    u2 constantvalue_index; // constant_pool 的索引
}

常量值属性类型：

Field Type 字段类型	Entry Type 条目类型
int, short, char, byte, boolean	CONSTANT_Integer
float	CONSTANT_Float
long	CONSTANT_Long
double	CONSTANT_Double
String	CONSTANT_String

---

[1]

Java Virtual Machine Specification. Chapter 4. The class File Format

[2]

深入理解Java虚拟机（第3版）. 第6章　类文件结构