文章目錄

• 簡(jiǎn)介
• 一個(gè)簡(jiǎn)單的class
• ClassFile的二進(jìn)制文件
• class文件的密碼本
• • magic
  • version
  • 常量池
  • 描述符
  • access_flags
  • this_class和super_class
  • interfaces_count和interfaces[]
  • fields_count和fields[]
• methods_count和methods[]
• attributes_count和attributes[]
• 總結(jié)

簡(jiǎn)介

一切的一切都是從javac開(kāi)始的。從那一刻開(kāi)始，java文件就從我們?nèi)庋劭煞直娴奈谋疚募?#xff0c;變成了冷冰冰的二進(jìn)制文件。

變成了二進(jìn)制文件是不是意味著我們無(wú)法再深入的去了解java class文件了呢？答案是否定的。

機(jī)器可以讀，人為什么不能讀？只要我們掌握java class文件的密碼表，我們可以把二進(jìn)制轉(zhuǎn)成十六進(jìn)制，將十六進(jìn)制和我們的密碼表進(jìn)行對(duì)比，就可以輕松的解密了。

下面，讓我們開(kāi)始這個(gè)激動(dòng)人心的過(guò)程吧。

一個(gè)簡(jiǎn)單的class

為了深入理解java class的含義，我們首先需要定義一個(gè)class類：

public class JavaClassUsage {private int age=18;public void inc(int number){this.age=this.age+ number;} }

很簡(jiǎn)單的類，我想不會(huì)有比它更簡(jiǎn)單的類了。

在上面的類中，我們定義了一個(gè)age字段和一個(gè)inc的方法。

接下來(lái)我們使用javac來(lái)進(jìn)行編譯。

IDEA有沒(méi)有？直接打開(kāi)編譯后的class文件，你會(huì)看到什么？

沒(méi)錯(cuò)，是反編譯過(guò)來(lái)的java代碼。但是這次我們需要深入了解的是class文件，于是我們可以選擇 view->Show Bytecode：

當(dāng)然，還是少不了最質(zhì)樸的javap命令：

javap -verbose JavaClassUsage

對(duì)比會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)javap展示的更清晰一些，我們暫時(shí)選用javap的結(jié)果。

編譯的class文件有點(diǎn)長(zhǎng)，我一度有點(diǎn)不想都列出來(lái)，但是又一想只有對(duì)才能講述得更清楚，還是貼在下面：

public class com.flydean.JavaClassUsageminor version: 0major version: 58flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER Constant pool:#1 = Methodref #2.#3 // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Class #4 // java/lang/Object#3 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V#4 = Utf8 java/lang/Object#5 = Utf8 <init>#6 = Utf8 ()V#7 = Fieldref #8.#9 // com/flydean/JavaClassUsage.age:I#8 = Class #10 // com/flydean/JavaClassUsage#9 = NameAndType #11:#12 // age:I#10 = Utf8 com/flydean/JavaClassUsage#11 = Utf8 age#12 = Utf8 I#13 = Utf8 Code#14 = Utf8 LineNumberTable#15 = Utf8 LocalVariableTable#16 = Utf8 this#17 = Utf8 Lcom/flydean/JavaClassUsage;#18 = Utf8 inc#19 = Utf8 (I)V#20 = Utf8 number#21 = Utf8 SourceFile#22 = Utf8 JavaClassUsage.java {public com.flydean.JavaClassUsage();descriptor: ()Vflags: ACC_PUBLICCode:stack=2, locals=1, args_size=10: aload_01: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V4: aload_05: bipush 187: putfield #7 // Field age:I10: returnLineNumberTable:line 7: 0line 9: 4LocalVariableTable:Start Length Slot Name Signature0 11 0 this Lcom/flydean/JavaClassUsage;public void inc(int);descriptor: (I)Vflags: ACC_PUBLICCode:stack=3, locals=2, args_size=20: aload_01: aload_02: getfield #7 // Field age:I5: iload_16: iadd7: putfield #7 // Field age:I10: returnLineNumberTable:line 12: 0line 13: 10LocalVariableTable:Start Length Slot Name Signature0 11 0 this Lcom/flydean/JavaClassUsage;0 11 1 number I } SourceFile: "JavaClassUsage.java"

ClassFile的二進(jìn)制文件

慢著，上面javap的結(jié)果好像并不是二進(jìn)制文件！

對(duì)的，javap是對(duì)二進(jìn)制文件進(jìn)行了解析，方便程序員閱讀。如果你真的想直面最最底層的機(jī)器代碼，就直接用支持16進(jìn)制的文本編譯器把編譯好的class文件打開(kāi)吧。

你準(zhǔn)備好了嗎？

來(lái)吧，展示吧！

上圖左邊是16進(jìn)制的class文件代碼，右邊是對(duì)16進(jìn)制文件的適當(dāng)解析。大家可以隱約的看到一點(diǎn)點(diǎn)熟悉的內(nèi)容。

是的，沒(méi)錯(cuò)，你會(huì)讀機(jī)器語(yǔ)言了！

class文件的密碼本

如果你要了解class文件的結(jié)構(gòu)，你需要這個(gè)密碼本。

如果你想解析class文件，你需要這個(gè)密碼本。

學(xué)好這個(gè)密碼本，走遍天下都…沒(méi)啥用！

下面就是密碼本，也就是classFile的結(jié)構(gòu)。

ClassFile {u4 magic;u2 minor_version;u2 major_version;u2 constant_pool_count;cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];u2 access_flags;u2 this_class;u2 super_class;u2 interfaces_count;u2 interfaces[interfaces_count];u2 fields_count;field_info fields[fields_count];u2 methods_count;method_info methods[methods_count];u2 attributes_count;attribute_info attributes[attributes_count]; }

其中u2，u4表示的是無(wú)符號(hào)的兩個(gè)字節(jié)，無(wú)符號(hào)的4個(gè)字節(jié)。

java class文件就是按照上面的格式排列下來(lái)的，按照這個(gè)格式，我們可以自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)反編譯器（大家有興趣的話，可以自行研究）。

我們對(duì)比著上面的二進(jìn)制文件一個(gè)一個(gè)的來(lái)理解。

magic

首先，class文件的前4個(gè)字節(jié)叫做magic word。

看一下十六進(jìn)制的第一行的前4個(gè)字節(jié)：

CA FE BA BE 00 00 00 3A 00 17 0A 00 02 00 03 07

0xCAFEBABE就是magic word。所有的java class文件都是以這4個(gè)字節(jié)開(kāi)頭的。

來(lái)一杯咖啡吧，baby！

多么有詩(shī)意的畫(huà)面。

version

這兩個(gè)version要連著講，一個(gè)是主版本號(hào)，一個(gè)是次版本號(hào)。

00 00 00 3A

對(duì)比一下上面的表格，我們的主版本號(hào)是3A=58，也就是我們使用的是JDK14版本。

常量池

接下來(lái)是常量池。

首先是兩個(gè)字節(jié)的constant_pool_count。對(duì)比一下，constant_pool_count的值是：

00 17

換算成十進(jìn)制就是23。也就是說(shuō)常量池的大小是23-1=22。

這里有兩點(diǎn)要注意，第一點(diǎn)，常量池?cái)?shù)組的index是從1開(kāi)始到constant_pool_count-1結(jié)束。

第二點(diǎn)，常量池?cái)?shù)組的第0位是作為一個(gè)保留位，表示“不引用任何常量池項(xiàng)目”，為某些特殊的情況下使用。

接下來(lái)是不定長(zhǎng)度的cp_info：constant_pool[constant_pool_count-1]常量池?cái)?shù)組。

常量池?cái)?shù)組中存了些什么東西呢？

字符串常量，類和接口名字，字段名，和其他一些在class中引用的常量。

具體的constant_pool中存儲(chǔ)的常量類型有下面幾種：

每個(gè)常量都是以一個(gè)tag開(kāi)頭的。用來(lái)告訴JVM，這個(gè)到底是一個(gè)什么常量。

好了，我們對(duì)比著來(lái)看一下。在constant_pool_count之后，我們?cè)偃∫徊糠?6進(jìn)制數(shù)據(jù)：

上面我們講到了17是常量池的個(gè)數(shù)，接下來(lái)就是常量數(shù)組。

0A 00 02 00 03

首先第一個(gè)字節(jié)是常量的tag， 0A=10，對(duì)比一下上面的表格，10表示的是CONSTANT_Methodref方法引用。

CONSTANT_Methodref又是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，我們?cè)倏匆幌路椒ㄒ玫亩x：

CONSTANT_Methodref_info {u1 tag;u2 class_index;u2 name_and_type_index; }

從上面的定義我們可以看出，CONSTANT_Methodref是由三部分組成的，第一部分是一個(gè)字節(jié)的tag，也就是上面的0A。

第二部分是2個(gè)字節(jié)的class_index，表示的是類在常量池中的index。

第三部分是2個(gè)字節(jié)的name_and_type_index，表示的是方法的名字和類型在常量池中的index。

先看class_index，0002=2。

常量池的第一個(gè)元素我們已經(jīng)找到了就是CONSTANT_Methodref，第二個(gè)元素就是跟在CONSTANT_Methodref后面的部分，我們看下是什么：

07 00 04

一樣的解析步驟，07=7，查表，表示的是CONSTANT_Class。

我們?cè)倏聪翪ONSTANT_Class的定義：

CONSTANT_Class_info {u1 tag;u2 name_index; }

可以看到CONSTANT_Class占用3個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)是tag，后面兩個(gè)字節(jié)是name在常量池中的索引。

00 04 = 4， 表示name在常量池中的索引是4。

然后我們就這樣一路找下去，就得到了所有常量池中常量的信息。

這樣找起來(lái)，眼睛都花了，有沒(méi)有什么簡(jiǎn)單的辦法呢？

當(dāng)然有，就是上面的javap -version， 我們?cè)倩仡櫼幌螺敵鼋Y(jié)果中的常量池部分：

Constant pool:#1 = Methodref #2.#3 // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Class #4 // java/lang/Object#3 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V#4 = Utf8 java/lang/Object#5 = Utf8 <init>#6 = Utf8 ()V#7 = Fieldref #8.#9 // com/flydean/JavaClassUsage.age:I#8 = Class #10 // com/flydean/JavaClassUsage#9 = NameAndType #11:#12 // age:I#10 = Utf8 com/flydean/JavaClassUsage#11 = Utf8 age#12 = Utf8 I#13 = Utf8 Code#14 = Utf8 LineNumberTable#15 = Utf8 LocalVariableTable#16 = Utf8 this#17 = Utf8 Lcom/flydean/JavaClassUsage;#18 = Utf8 inc#19 = Utf8 (I)V#20 = Utf8 number#21 = Utf8 SourceFile#22 = Utf8 JavaClassUsage.java

以第一行為例，直接告訴你常量池中第一個(gè)index的類型是Methodref，它的classref是index=2，它的NameAndType是index=3。

并且直接在后面展示出了具體的值。

描述符

且慢，在常量池中我好像看到了一些不一樣的東西，這些I，L是什么東西？

這些叫做字段描述符：

上圖是他們的各項(xiàng)含義。除了8大基礎(chǔ)類型，還有2個(gè)引用類型，分別是對(duì)象的實(shí)例，和數(shù)組。

access_flags

常量池后面就是access_flags：訪問(wèn)描述符，表示的是這個(gè)class或者接口的訪問(wèn)權(quán)限。

先上密碼表：

再找一下我們16進(jìn)制的access_flag:

沒(méi)錯(cuò)，就是00 21。 參照上面的表格，好像沒(méi)有21，但是別怕：

21是ACC_PUBLIC和ACC_SUPER的并集。表示它有兩個(gè)access權(quán)限。

this_class和super_class

接下來(lái)是this class和super class的名字，他們都是對(duì)常量池的引用。

00 08 00 02

this class的常量池index=8， super class的常量池index=2。

看一下2和8都代表什么：

#2 = Class #4 // java/lang/Object#8 = Class #10 // com/flydean/JavaClassUsage

沒(méi)錯(cuò)，JavaClassUsage的父類是Object。

大家知道為什么java只能單繼承了嗎？因?yàn)閏lass文件里面只有一個(gè)u2的位置，放不下了！

interfaces_count和interfaces[]

接下來(lái)就是接口的數(shù)目和接口的具體信息數(shù)組了。

00 00

我們沒(méi)有實(shí)現(xiàn)任何接口，所以interfaces_count=0，這時(shí)候也就沒(méi)有interfaces[]了。

fields_count和fields[]

然后是字段數(shù)目和字段具體的數(shù)組信息。

這里的字段包括類變量和實(shí)例變量。

每個(gè)字段信息也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體：

field_info {u2 access_flags;u2 name_index;u2 descriptor_index;u2 attributes_count;attribute_info attributes[attributes_count]; }

字段的access_flag跟class的有點(diǎn)不一樣：

這里我們就不具體對(duì)比解釋了，感興趣的小伙伴可以自行體驗(yàn)。

methods_count和methods[]

接下來(lái)是方法信息。

method結(jié)構(gòu)體：

method_info {u2 access_flags;u2 name_index;u2 descriptor_index;u2 attributes_count;attribute_info attributes[attributes_count]; }

method訪問(wèn)權(quán)限標(biāo)記：

attributes_count和attributes[]

attributes被用在ClassFile, field_info, method_info和Code_attribute這些結(jié)構(gòu)體中。

先看下attributes結(jié)構(gòu)體的定義：

attribute_info {u2 attribute_name_index;u4 attribute_length;u1 info[attribute_length]; }

都有哪些attributes, 這些attributes都用在什么地方呢？

其中有六個(gè)屬性對(duì)于Java虛擬機(jī)正確解釋類文件至關(guān)重要，他們是：
ConstantValue，Code，StackMapTable，BootstrapMethods，NestHost和NestMembers。

九個(gè)屬性對(duì)于Java虛擬機(jī)正確解釋類文件不是至關(guān)重要的，但是對(duì)于通過(guò)Java SE Platform的類庫(kù)正確解釋類文件是至關(guān)重要的，他們是：

Exceptions，InnerClasses，EnclosingMethod，Synthetic，Signature，SourceFile，LineNumberTable，LocalVariableTable，LocalVariableTypeTable。

其他13個(gè)屬性，不是那么重要，但是包含有關(guān)類文件的元數(shù)據(jù)。

總結(jié)

最后留給大家一個(gè)問(wèn)題，java class中常量池的大小constant_pool_count是2個(gè)字節(jié)，兩個(gè)字節(jié)可以表示2的16次方個(gè)常量。很明顯已經(jīng)夠大了。

但是，萬(wàn)一我們寫(xiě)了超過(guò)2個(gè)字節(jié)大小的常量怎么辦？歡迎大家留言給我討論。

本文鏈接：http://www.flydean.com/jvm-class-file-structure/

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的JVM详解之:java class文件的密码本的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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