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如何实现一个Java Class解析器

發布時間：2025/3/21 java 15 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了如何实现一个Java Class解析器小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

最近在寫一個私人項目，名字叫做ClassAnalyzer，ClassAnalyzer的目的是能讓我們對Java Class文件的設計與結構能夠有一個深入的理解。主體框架與基本功能已經完成，還有一些細節功能日后再增加。實際上JDK已經提供了命令行工具javap來反編譯Class文件，但本篇文章將闡明我實現解析器的思路。

Class文件

作為類或者接口信息的載體，每個Class文件都完整的定義了一個類。為了使Java程序可以“編寫一次，處處運行”，Java虛擬機規范對Class文件進行了嚴格的規定。構成Class文件的基本數據單位是字節，這些字節之間不存在任何分隔符，這使得整個Class文件中存儲的內容幾乎全部是程序運行的必要數據，單個字節無法表示的數據由多個連續的字節來表示。

根據Java虛擬機規范，Class文件采用一種類似于C語言結構體的偽結構來存儲數據，這種偽結構中只有兩種數據類型：無符號數和表。Java虛擬機規范定義了u1、u2、u4和u8來分別表示1個字節、2個字節、4個字節和8個字節的無符號數，無符號數可以用來描述數字、索引引用、數量值或者是字符串。表是由多個無符號數或者其它表作為數據項構成的復合數據類型，表用于描述有層次關系的復合結構的數據，因此整個Class文件本質上就是一張表。在ClassAnalyzer中，byte、short、int和long分別對應u1、u2、u4和u8數據類型，Class文件被描述為如下Java類。

public class ClassFile {public U4 magic; // magicpublic U2 minorVersion; // minor_versionpublic U2 majorVersion; // major_versionpublic U2 constantPoolCount; // constant_pool_countpublic ConstantPoolInfo[] cpInfo; // cp_infopublic U2 accessFlags; // access_flagspublic U2 thisClass; // this_classpublic U2 superClass; // super_classpublic U2 interfacesCount; // interfaces_countpublic U2[] interfaces; // interfacespublic U2 fieldsCount; // fields_countpublic FieldInfo[] fields; // fieldspublic U2 methodsCount; // methods_countpublic MethodInfo[] methods; // methodspublic U2 attributesCount; // attributes_countpublic BasicAttributeInfo[] attributes; // attributes}

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如何解析

組成Class文件的各個數據項中，例如魔數、Class文件的版本、訪問標志、類索引和父類索引等數據項，它們在每個Class文件中都占用固定數量的字節，在解析時只需要讀取相應數量的字節。除此之外，需要靈活處理的主要包括4部分：常量池、字段表集合、方法表集合和屬性表集合。字段和方法都可以具備自己的屬性，Class本身也有相應的屬性，因此，在解析字段表集合和方法表集合的同時也包含了屬性表集合的解析。

常量池占據了Class文件很大一部分的數據，用于存儲所有的常量信息，包括數字和字符串常量、類名、接口名、字段名和方法名等。Java虛擬機規范定義了多種常量類型，每一種常量類型都有自己的結構。常量池本身是一個表，在解析時有幾點需要注意。

每個常量類型都通過一個u1類型的tag來標識。
表頭給出的常量池大小（constantPoolCount）比實際大1，例如，如果constantPoolCount等于47，那么常量池中有46項常量。
常量池的索引范圍從1開始，例如，如果constantPoolCount等于47，那么常量池的索引范圍為1 ~ 46。設計者將第0項空出來的目的是用于表達“不引用任何一個常量池項目”。
如果一個CONSTANT_Long_info或CONSTANT_Double_info結構的項在常量池中的索引為n，則常量池中下一個有效的項的索引為n+2，此時常量池中索引為n+1的項有效但必須被認為不可用。
CONSTANT_Utf8_info型常量的結構中包含一個u1類型的tag、一個u2類型的length和由length個u1類型組成的bytes，這length字節的連續數據是一個使用MUTF-8（Modified UTF-8）編碼的字符串。MUTF-8與UTF-8并不兼容，主要區別有兩點：一是null字符會被編碼成2字節（0xC0和0x80）；二是補充字符是按照UTF-16拆分為代理對分別編碼的，相關細節可以看這里（變種UTF-8）。

屬性表用于描述某些場景專有的信息，Class文件、字段表和方法表都有相應的屬性表集合。Java虛擬機規范定義了多種屬性，ClassAnalyzer目前實現了對常用屬性的解析。與常量類型的數據項不同，屬性并沒有一個tag來標識屬性的類型，但是每個屬性都包含有一個u2類型的attribute_name_index，attribute_name_index指向常量池中的一個CONSTANT_Utf8_info類型的常量，該常量包含著屬性的名稱。在解析屬性時，ClassAnalyzer正是通過attribute_name_index指向的常量對應的屬性名稱來得知屬性的類型。

字段表用于描述類或者接口中聲明的變量，字段包括類級變量以及實例級變量。字段表的結構包含一個u2類型的access_flags、一個u2類型的name_index、一個u2類型的descriptor_index、一個u2類型的attributes_count和attributes_count個attribute_info類型的attributes。我們已經介紹了屬性表的解析，attributes的解析方式與屬性表的解析方式一致。

Class的文件方法表采用了和字段表相同的存儲格式，只是access_flags對應的含義有所不同。方法表包含著一個重要的屬性：Code屬性。Code屬性存儲了Java代碼編譯成的字節碼指令，在ClassAnalyzer中，Code對應的Java類如下所示（僅列出了類屬性）。

public class Code extends BasicAttributeInfo {private short maxStack;private short maxLocals;private long codeLength;private byte[] code;private short exceptionTableLength;private ExceptionInfo[] exceptionTable;private short attributesCount;private BasicAttributeInfo[] attributes;...private class ExceptionInfo {public short startPc;public short endPc;public short handlerPc;public short catchType;...}}

在Code屬性中，codeLength和code分別用于存儲字節碼長度和字節碼指令，每條指令即一個字節（u1類型）。在虛擬機執行時，通過讀取code中的一個個字節碼，并將字節碼翻譯成相應的指令。另外，雖然codeLength是一個u4類型的值，但是實際上一個方法不允許超過65535條字節碼指令。

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代碼實現

ClassAnalyzer的源碼已放在了GitHub上。在ClassAnalyzer的README中，我以一個類的Class文件為例，對該Class文件的每個字節進行了分析，希望對大家的理解有所幫助。

Demo

TestClass.java

package org.tinylcy;public class TestClass implements Cloneable {public static final String TAG = "tinylcy";private int num;public void inc() {num++;}public int exception() {int x;try {x = 1;return x;} catch (Exception e) {x = 2;return x;} finally {x = 3;}}public static void showTag() {System.out.println(TAG);} }

TestClass.class

cafe babe 0000 0031 0030 0a00 0800 1f09 0005 0020 0700 2109 0022 0023 0700 2408 0025 0a00 2600 2707 0028 0700 2901 0003 5441 4701 0012 4c6a 6176 612f 6c61 6e67 2f53 7472 696e 673b 0100 0d43 6f6e 7374 616e 7456 616c 7565 0100 036e 756d 0100 0149 0100 063c 696e 6974 3e01 0003 2829 5601 0004 436f 6465 0100 0f4c 696e 654e 756d 6265 7254 6162 6c65 0100 124c 6f63 616c 5661 7269 6162 6c65 5461 626c 6501 0004 7468 6973 0100 174c 6f72 672f 7469 6e79 6c63 792f 5465 7374 436c 6173 733b 0100 0369 6e63 0100 0965 7863 6570 7469 6f6e 0100 0328 2949 0100 0178 0100 0165 0100 154c 6a61 7661 2f6c 616e 672f 4578 6365 7074 696f 6e3b 0100 0773 686f 7754 6167 0100 0a53 6f75 7263 6546 696c 6501 000e 5465 7374 436c 6173 732e 6a61 7661 0c00 0f00 100c 000d 000e 0100 136a 6176 612f 6c61 6e67 2f45 7863 6570 7469 6f6e 0700 2a0c 002b 002c 0100 156f 7267 2f74 696e 796c 6379 2f54 6573 7443 6c61 7373 0100 0774 696e 796c 6379 0700 2d0c 002e 002f 0100 106a 6176 612f 6c61 6e67 2f4f 626a 6563 7401 0013 6a61 7661 2f6c 616e 672f 436c 6f6e 6561 626c 6501 0010 6a61 7661 2f6c 616e 672f 5379 7374 656d 0100 036f 7574 0100 154c 6a61 7661 2f69 6f2f 5072 696e 7453 7472 6561 6d3b 0100 136a 6176 612f 696f 2f50 7269 6e74 5374 7265 616d 0100 0770 7269 6e74 6c6e 0100 1528 4c6a 6176 612f 6c61 6e67 2f53 7472 696e 673b 2956 0021 0005 0008 0001 0009 0002 0019 000a 000b 0001 000c 0000 0002 0006 0002 000d 000e 0000 0004 0001 000f 0010 0001 0011 0000 002f 0001 0001 0000 0005 2ab7 0001 b100 0000 0200 1200 0000 0600 0100 0000 0600 1300 0000 0c00 0100 0000 0500 1400 1500 0000 0100 1600 1000 0100 1100 0000 3900 0300 0100 0000 0b2a 59b4 0002 0460 b500 02b1 0000 0002 0012 0000 000a 0002 0000 000c 000a 000d 0013 0000 000c 0001 0000 000b 0014 0015 0000 0001 0017 0018 0001 0011 0000 00ae 0001 0005 0000 0018 043c 1b3d 063c 1cac 4d05 3c1b 3e06 3c1d ac3a 0406 3c19 04bf 0004 0000 0004 0008 0003 0000 0004 0011 0000 0008 000d 0011 0000 0011 0013 0011 0000 0002 0012 0000 002a 000a 0000 0012 0002 0013 0004 0018 0006 0013 0008 0014 0009 0015 000b 0016 000d 0018 000f 0016 0011 0018 0013 0000 0034 0005 0002 0006 0019 000e 0001 0009 0008 001a 001b 0002 000b 0006 0019 000e 0001 0000 0018 0014 0015 0000 0015 0003 0019 000e 0001 0009 001c 0010 0001 0011 0000 0025 0002 0000 0000 0009 b200 0412 06b6 0007 b100 0000 0100 1200 0000 0a00 0200 0000 1d00 0800 1e00 0100 1d00 0000 0200 1e

Running the examples

public class ClassFileTest {@Testpublic void classfile() throws Exception {File file = new File("/path/to/TestClass.class");FileInputStream inputStream = new FileInputStream(file);ClassReader.analyze(inputStream);} }

Output

magic = cafebabe minorVersion = 0 majorVersion = 49 constantPoolCount = 48 cpInfo[1] = ConstantMethodRefInfo{classIndex=8, nameAndTypeIndex=31} cpInfo[2] = ConstantFieldRefInfo{classIndex=5, nameAndTypeIndex=32} cpInfo[3] = ConstantClassInfo{index=33} cpInfo[4] = ConstantFieldRefInfo{classIndex=34, nameAndTypeIndex=35} cpInfo[5] = ConstantClassInfo{index=36} cpInfo[6] = ConstantClassInfo{index=37} cpInfo[7] = ConstantMethodRefInfo{classIndex=38, nameAndTypeIndex=39} cpInfo[8] = ConstantClassInfo{index=40} cpInfo[9] = ConstantClassInfo{index=41} cpInfo[10] = ConstantUtf8Info{bytesValue='TAG'} cpInfo[11] = ConstantUtf8Info{bytesValue='Ljava/lang/String;'} cpInfo[12] = ConstantUtf8Info{bytesValue='ConstantValue'} cpInfo[13] = ConstantUtf8Info{bytesValue='num'} cpInfo[14] = ConstantUtf8Info{bytesValue='I'} cpInfo[15] = ConstantUtf8Info{bytesValue='<init>'} cpInfo[16] = ConstantUtf8Info{bytesValue='()V'} cpInfo[17] = ConstantUtf8Info{bytesValue='Code'} cpInfo[18] = ConstantUtf8Info{bytesValue='LineNumberTable'} cpInfo[19] = ConstantUtf8Info{bytesValue='LocalVariableTable'} cpInfo[20] = ConstantUtf8Info{bytesValue='this'} cpInfo[21] = ConstantUtf8Info{bytesValue='Lorg/tinylcy/TestClass;'} cpInfo[22] = ConstantUtf8Info{bytesValue='inc'} cpInfo[23] = ConstantUtf8Info{bytesValue='exception'} cpInfo[24] = ConstantUtf8Info{bytesValue='()I'} cpInfo[25] = ConstantUtf8Info{bytesValue='x'} cpInfo[26] = ConstantUtf8Info{bytesValue='e'} cpInfo[27] = ConstantUtf8Info{bytesValue='Ljava/lang/Exception;'} cpInfo[28] = ConstantUtf8Info{bytesValue='showTag'} cpInfo[29] = ConstantUtf8Info{bytesValue='SourceFile'} cpInfo[30] = ConstantUtf8Info{bytesValue='TestClass.java'} cpInfo[31] = ConstantNameAndTypeInfo{nameIndex=15, descriptorIndex=16} cpInfo[32] = ConstantNameAndTypeInfo{nameIndex=13, descriptorIndex=14} cpInfo[33] = ConstantUtf8Info{bytesValue='java/lang/Exception'} cpInfo[34] = ConstantClassInfo{index=42} cpInfo[35] = ConstantNameAndTypeInfo{nameIndex=43, descriptorIndex=44} cpInfo[36] = ConstantUtf8Info{bytesValue='org/tinylcy/TestClass'} cpInfo[37] = ConstantUtf8Info{bytesValue='tinylcy'} cpInfo[38] = ConstantClassInfo{index=45} cpInfo[39] = ConstantNameAndTypeInfo{nameIndex=46, descriptorIndex=47} cpInfo[40] = ConstantUtf8Info{bytesValue='java/lang/Object'} cpInfo[41] = ConstantUtf8Info{bytesValue='java/lang/Cloneable'} cpInfo[42] = ConstantUtf8Info{bytesValue='java/lang/System'} cpInfo[43] = ConstantUtf8Info{bytesValue='out'} cpInfo[44] = ConstantUtf8Info{bytesValue='Ljava/io/PrintStream;'} cpInfo[45] = ConstantUtf8Info{bytesValue='java/io/PrintStream'} cpInfo[46] = ConstantUtf8Info{bytesValue='println'} cpInfo[47] = ConstantUtf8Info{bytesValue='(Ljava/lang/String;)V'} accessFlags = 21, public super thisClass = 5, this class name = org/tinylcy/TestClass superClass = 8, super class name = java/lang/Object interfacesCount = 1 interfaces[0] = 9, interface name = java/lang/Cloneable fieldsCount = 2 fields[0] = FieldInfo{accessFlags=25: public static final , nameIndex=10 [name = TAG], descriptorIndex=11 [descriptor = Ljava/lang/String;], attributesCount=1, attributes=[]} fields[1] = FieldInfo{accessFlags=2: private , nameIndex=13 [name = num], descriptorIndex=14 [descriptor = I], attributesCount=0, attributes=[]} methodsCount = 4 methods[0] = MethodInfo{accessFlags=1: public , nameIndex=15 [name = <init>], descriptorIndex=16 [descriptor = ()V], attributesCount=1, attributes=[Code{attributeNameIndex=17 [attribute name = Code], attributeLength=47, maxStack=1, maxLocals=1, codeLength=5, code=[42, -73, 0, 1, -79], exceptionTableLength=0, exceptionTable=[], attributesCount=2, attributes=[LineNumberTable{attributeNameIndex=18 [attribute name = LineNumberTable], attributeLength=6, lineNumberTableLength=1, lineNumberTable=[LineNumberInfo{startPc=0, lineNumber=6}]}, LocalVariableTable{attributeNameIndex=19 [attribute name = LocalVariableTable], attributeLength=12, localVariableTableLength=1}]}]} methods[1] = MethodInfo{accessFlags=1: public , nameIndex=22 [name = inc], descriptorIndex=16 [descriptor = ()V], attributesCount=1, attributes=[Code{attributeNameIndex=17 [attribute name = Code], attributeLength=57, maxStack=3, maxLocals=1, codeLength=11, code=[42, 89, -76, 0, 2, 4, 96, -75, 0, 2, -79], exceptionTableLength=0, exceptionTable=[], attributesCount=2, attributes=[LineNumberTable{attributeNameIndex=18 [attribute name = LineNumberTable], attributeLength=10, lineNumberTableLength=2, lineNumberTable=[LineNumberInfo{startPc=0, lineNumber=12}, LineNumberInfo{startPc=10, lineNumber=13}]}, LocalVariableTable{attributeNameIndex=19 [attribute name = LocalVariableTable], attributeLength=12, localVariableTableLength=1}]}]} methods[2] = MethodInfo{accessFlags=1: public , nameIndex=23 [name = exception], descriptorIndex=24 [descriptor = ()I], attributesCount=1, attributes=[Code{attributeNameIndex=17 [attribute name = Code], attributeLength=174, maxStack=1, maxLocals=5, codeLength=24, code=[4, 60, 27, 61, 6, 60, 28, -84, 77, 5, 60, 27, 62, 6, 60, 29, -84, 58, 4, 6, 60, 25, 4, -65], exceptionTableLength=4, exceptionTable=[ExceptionInfo{startPc=0, endPc=4, handlerPc=8, catchType=3}, ExceptionInfo{startPc=0, endPc=4, handlerPc=17, catchType=0}, ExceptionInfo{startPc=8, endPc=13, handlerPc=17, catchType=0}, ExceptionInfo{startPc=17, endPc=19, handlerPc=17, catchType=0}], attributesCount=2, attributes=[LineNumberTable{attributeNameIndex=18 [attribute name = LineNumberTable], attributeLength=42, lineNumberTableLength=10, lineNumberTable=[LineNumberInfo{startPc=0, lineNumber=18}, LineNumberInfo{startPc=2, lineNumber=19}, LineNumberInfo{startPc=4, lineNumber=24}, LineNumberInfo{startPc=6, lineNumber=19}, LineNumberInfo{startPc=8, lineNumber=20}, LineNumberInfo{startPc=9, lineNumber=21}, LineNumberInfo{startPc=11, lineNumber=22}, LineNumberInfo{startPc=13, lineNumber=24}, LineNumberInfo{startPc=15, lineNumber=22}, LineNumberInfo{startPc=17, lineNumber=24}]}, LocalVariableTable{attributeNameIndex=19 [attribute name = LocalVariableTable], attributeLength=52, localVariableTableLength=5}]}]} methods[3] = MethodInfo{accessFlags=9: public static , nameIndex=28 [name = showTag], descriptorIndex=16 [descriptor = ()V], attributesCount=1, attributes=[Code{attributeNameIndex=17 [attribute name = Code], attributeLength=37, maxStack=2, maxLocals=0, codeLength=9, code=[-78, 0, 4, 18, 6, -74, 0, 7, -79], exceptionTableLength=0, exceptionTable=[], attributesCount=1, attributes=[LineNumberTable{attributeNameIndex=18 [attribute name = LineNumberTable], attributeLength=10, lineNumberTableLength=2, lineNumberTable=[LineNumberInfo{startPc=0, lineNumber=29}, LineNumberInfo{startPc=8, lineNumber=30}]}]}]} attributesCount = 1 attributes[0] = SourceFile{attributeNameIndex=29 [attribute name = SourceFile], attributeLength=2, sourceFileIndex=30}

Bytes analysis

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的如何实现一个Java Class解析器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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