6.3　Class类文件的结构

Class文件是一组以8个字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在文件之中，中间没有添加任何分隔符。当遇到需要占用8个字节以上空间的数据项时，则会按照高位在前的方式分割成若干个8个字节进行存储

Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构中只有两种数据类型：“无符号数”和“表”

• 无符号数属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值
• 表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，为了便于区分，所有表的命名都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上也可以视作是一张表，这张表由表6-1所示的数据项按严格顺序排列构成

6.3.1　魔数与Class文件的版本

魔数（Magic Number）:值为0xCAFEBABE.每个Class文件的头4个字节,确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件

版本:紧接着魔数的4个字节存储,第5和第6个字节是次版本号（Minor Version），第7和第8个字节是主版本号（Major Version）。Java版本号是从45开始的，JDK 1.1之后的每个JDK大版本发布主版本号向上加1，高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但不能运行以后版本的Class文件，因为《Java虚拟机规范》在Class文件校验部分明确要求了即使文件格式并未发生任何变化，虚拟机也必须拒绝执行超过其版本号的Class文件

6.3.2　常量池

紧接着主、次版本号之后的是常量池入口，常量池可以比喻为Class文件里的资源仓库，它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据，通常也是占用Class文件空间最大的数据项目之一，另外，它还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目

常量池容量计数值（constant_pool_count）: 常量池入口放置的一项u2类型的数据,因为常量池中常量的数量是不固定的

• 容量计数从1而不是0开始的，如图6-3所示，常量池容量为十六进制数0x0016，即十进制的22，这就代表常量池中有21项常量，索引值范围为1～21
• 第0项常量: 某些指向常量池的索引值的数据在表达“不引用任何一个常量池项目”的含义，可以把索引值设置为0来表示

主要存放两大类常量

字面量（Literal）: 接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等

符号引用（Symbolic References）: 属于编译原理方面的概念，主要包括下面几类常量：

• 被模块导出或者开放的包（Package）
• 类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
• 字段的名称和描述符（Descriptor）
• 方法的名称和描述符
• 方法句柄和方法类型（Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic）
• 动态调用点和动态常量（Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant）

常量表

常量池中每一项常量都是一个表

常量类型:表结构起始第一位是u1类型的标志位（tag，取值见表中标志列），代表着当前常量属于哪种常量类型

6.3.3　访问标志(access_flags)

常量池紧接着的2个字节,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;是否定义为abstract;类是否被声明为final等等

6.3.4　类索引(this_class)、父类索引(super_class)与接口索引(interfaes)集合

按顺序排列在访问标志之后,类索引和父类索引都是一个u2类型的数据，而接口索引集合是一组u2类型的数据的集合,Class文件中由这三项数据来确定该类型的继承关系

类索引:确定这个类的全限定名

父类索引:确定这个类的父类的全限定名

• 父类索引只有一个(不允许多重继承)
• 除了Object，所有的Java类都有父类(父类索引不为0)
  • 除了Object，所有的Java类都有父类(父类索引不为0)
• 除了Object，所有的Java类都有父类(父类索引不为0)
  • 除了Object，所有的Java类都有父类(父类索引不为0)
• 除了Object，所有的Java类都有父类(父类索引不为0)

类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示，它们各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量，通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串

接口索引集合:描述这个类实现了哪些接口，按implements关键字（如果Class文件表示的是接口，则是extends）后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中

• 入口的第一项u2类型的数据为接口计数器（interfaces_count），表示索引表的容量。如果该类没有实现任何接口，则该计数器值为0，后面接口的索引表不再占用任何字节

6.3.5　字段表（field_info）集合

描述接口或者类中声明的变量

字段表结构

字段访问标志

描述符标识字符含义

数组:前置[,例如String[][]记录成[[Ljava/lang/String；;int[]记录成[I

方法:先参数列表(按参数顺序放小括号()),后返回值.如void inc()描述符为“()V”，方法toString()描述符为“()Ljava/lang/String；”，indexOf(char[]source，int sourceOffset，int sourceCount，char[]target，int targetOffset，int targetCount，int fromIndex)描述符为“([CII[CIII)I

6.3.6　方法表集合

同字段表一样，依次包括访问标志（access_flags）、名称索引（name_index）、描述符索引（descriptor_index）、属性表集合（attributes）

方法表结构

方法访问标志

6.3.7　属性表（attribute_info）集合

1. Code属性

   类型	名称	数量
   u2	attribute_name_index	1
   u4	attribute_length	1
   u2	max_stack	1
   u2	max_locals	1
   u4	code_length	1
   u1	code	code_length
   u2	exception_table_length	1
   exception_info	exception_table	exception_table_length
   u2	attributes_count	1
   attribute_info	attributes	attributes_count

• attribute_name_index:指向CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，此常量值固定为“Code”，它代表了该属性的属性名称
• attribute_length:属性值的长度，由于属性名称索引与属性长度一共为6个字节，所以属性值的长度固定为整个属性表长度减去6个字节。
• max_stack:操作数栈（Operand Stack）深度的最大值。虚拟机运行的时候需要根据这个值来分配栈帧（Stack Frame）中的操作栈深度。
• max_locals:局部变量表所需的存储空间。单位是变量槽（Slot）。
  • 局部变量表:方法参数（包括实例方法中的隐藏参数“this”）、显式异常处理程序的参数（Exception Handler Parameter，try-catch中catch块定义的异常）、方法体中定义的局部变量
  • 并不是在方法中用了多少个局部变量，就把这些局部变量所占变量槽数量之和作为max_locals的值，操作数栈和局部变量表直接决定一个该方法的栈帧所耗费的内存，不必要的操作数栈深度和变量槽数量会造成内存的浪费。Java虚拟机的做法是将局 部变量表中的变量槽进行重用，当代码执行超出一个局部变量的作用域时，这个局部变量所占的变量槽可以被其他局部变量所使用，Javac编译器会根据变量的作用域来分配变量槽给各个变量使用，根据同时生存的最大局部变量数量和类型计算出max_locals的大小。
• code_length:字节码长度
  • u4类型的长度值，理论上可以达到2的32次幂，《Java虚拟机规范》限制方法不允许超过65535条字节码指令，即它实际只使用了u2的长度。
• code:存储字节码指令的一系列字节流。
  • 字节码指令:每个指令就是一个u1类型的单字节，当虚拟机读取到code中的一个字节码时，就可以对应找出这个字节码代表的是什么指令，并且可以知道这条指令后面是否需要跟随参数，以及后续的参数应当如何解析。一个u1数据类型的取值范围为0x00～0xFF，对应十进制的0～255，也就是一共可以表达256条指令。Code属性是Class文件中最重要的一个属性，如果把一个Java程序中的信息分为代码（Code，方法体里面的Java代码）和元数据（Metadata，包括类、字段、方法定义及其他信息）两部分，那么在整个Class文件里，Code属性用于描述代码，所有的其他数据项目都用于描述元数据。
  • 异常表:字节码指令之后

    类型	名称	数量
    u2	start_pc	1
    u2	end_pc	1
    u2	handler_pc	1
    u2	catch_type	1

2. Exceptions属性

列举出方法中可能抛出的受查异常(Checked Exceptions),也就是方法描述时在throws关键字后面列举的异常

3. LineNumberTable属性

描述Java源码行号与字节码行号（字节码的偏移量）之间的对应关系

4. LocalVariableTable及LocalVariableTypeTable属性

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

• local_variable_info属性结构

  类型	名称	数量
  u2	start_pc	1
  u2	length	1
  u2	name_index	1
  u2	descriptor_index	1
  u2	index	1

5. SourceFile及SourceDebugExtension属性

记录生成这个Class文件的源码文件名称

6. ConstantValue属性

通知虚拟机自动为静态变量赋值

7. InnerClasses属性

记录内部类与宿主类之间的关联

• inner_classes_info属性结构

  类型	名称	数量
  u2	inner_class_info_index	1
  u2	outer_class_info_index	1
  u2	inner_name_index	1
  u2	inner_class_access_flags	1

8. Deprecated及Synthetic属性

都属于标志类型的布尔属性
Deprecated属性用于表示某个类、字段或者方法，已经被程序作者定为不再推荐使用 Synthetic属性代表此字段或者方法并不是由Java源码直接产生的，而是由编译器自行添加的，也可以设置ACC_SYNTHETIC标志位

9. StackMapTable属性

复杂的变长属性，位于Code属性的属性表中。这个属性会在虚拟机类加载的字节码验证阶段被新类型检查验证器（Type Checker）使用（详见第7章字节码验证部分），目的在于代替以前比较消耗性能的基于数据流分析的类型推导验证器。

10. Signature属性

记录泛型签名信息

11. BootstrapMethods属性

复杂的变长属性，位于类文件的属性表中。这个属性用于保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符

• bootstrap_method属性结构

  类型	名称	数量
  u2	bootstrap_method_ref_	1
  u2	num_bootstrap_arguments	1
  u2	bootstrap_arguments	num_bootstrap_arguments

12. MethodParameters属性

记录方法的各个形参名称和信息

• parameter属性结构

  类型	名称	数量
  u2	name_index	1
  u2	access_flags	1

13. 模块化相关属性

Module、ModulePackages和ModuleMainClass三个属性用于支持Java模块化相关功能

• Module:复杂的变长属性，除了表示该模块的名称、版本、标志信息以外，还存储了这个模块requires、exports、opens、uses和provides定义的全部内容

  类型	名称	数量
  u2	attribute_name_index	1
  u4	attribute_length	1
  u2	module_name_index	1
  u2	module_flags	1
  u2	module_version_index	1
  u2	requires_count	1
  require	requires	requires_count
  u2	exports_count	1
  export	exports	exports_count
  u2	opens_count	1
  open	opens	opens_count
  u2	uses_count	1
  use	uses_index	uses_count
  u2	provides_count	1
  provide	provides	provides_count

• exports属性结构

  类型	名称	数量
  u2	exports_index	1
  u2	exports_flags	1
  u2	exports_to_count	1
  export	exports_to_index	exports_to_count

• ModulePackages:变长属性，它用于描述该模块中所有的包，不论是不是被export或者open的

  类型	名称	数量
  u2	attribute_name_index	1
  u4	attribute_length	1
  u2	package_count	1
  u2	package_index	package_count

• ModuleMainClass:定长属性，用于确定该模块的主类（Main Class）

  类型	名称	数量
  u2	attribute_name_index	1
  u4	attribute_length	1
  u2	main_class_index	1

14. 运行时注解相关属性

以RuntimeVisibleAnnotations为例:记录了类、字段或方法的声明上记录运行时可见注解，当我们使用反射API来获取类、字段或方法上的注解时，返回值就是通过这个属性来取到的

• annotation属性结构

  类型	名称	数量
  u2	type_index	1
  u2	num_element_value_pairs	1
  element_value_pair	element_value_pairs	num_element_value_pairs