JAVA虚拟机学习笔记3-类文件结构

类文件结构

• 3.1 魔数与版本号
• 3.2 常量池
• • 常量池数量描述
  • 常量类型
  • Javap
  • 字面量
  • 符号引用
• 3.3 访问标志
• 3.4 类索引、父类索引与接口索引集合
• 3.5 字段表集合
• 3.7 属性表集合
• • 预定义属性
  • Code属性表的结构
  • Exceptions属性
  • LocalVariableTable属性
  • SourceFile属性
  • 其它

以下面的例子做讲解。

JAVA代码：

CLASS文件：

3.1 魔数与版本号

Class文件的前4个字节为魔数，十六进制：CAFEBABE （00000000:0-3）

接下来的4个字节为版本号：00 00 00 31 （0000000:4-7）代表JDK1.6.0_01 –targer1.5的版本。

3.2 常量池

常量池数量描述

前2个字节代表常量数量，如：00 16（00000000:8-9），代表有21个常量（从1开始,0是空出来的）。

常量类型

常量池的每一项常量都是一个表，常量类型如下表所示。

类型	标志	描述
CONSTANT_utf8_info	1	UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info	3	整形字面量
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	字段或方法的符号引用
CONSTANT_MothodType_info	16	标志方法类型
CONSTANT_MethodHandle_info	15	表示方法句柄
CONSTANT_InvokeDynamic_info	18	表示一个动态方法调用点

每一个类型对应不同结构，但是有一个共同点就是每一个常量的第一个字节描述的就是类型。

下面描述2个类型的结构表。

CONSTANT_utf8_info

类型	名称	数量
u1	tag	1
u2	Length	1
u1	bytes	length

例子：图中01（00000000:d）代表类型CONSTANT_utf8_info，那么接下来00 11（00000000:e-f）代表长度，长度为十进制17，那么接下来（00000010:0 - 00000020:0）代表这常量的值为：com/lin/TestClass。

CONSTANT_Class_info

类型	名称	数量
u1	tag	1
u2	name_index	1

例子：图中07（00000000:a）代表类型CONSTANT_Class_info，接下来00 02（00000000:b-c）代表引用的是第二个常量的值。

常量池中的14中常量项的结构总表如下：

常量	项目	类型	描述
CONSTANT_Utf8_info	tag	u1	值为1
CONSTANT_Utf8_info	length	u2	UF-8编码的字符串占用的字节数
CONSTANT_Utf8_info	bytes	u1	长度为length的UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info	tag	u1	值为3
CONSTANT_Integer_info	bytes	u4	按照高位在前存储的int值
CONSTANT_Float_info	tag	u1	值为4
CONSTANT_Float_info	bytes	u4	按照高位在前存储的float值
CONSTANT_Long_info	tag	u1	值为5
CONSTANT_Long_info	bytes	u8	按照高位在前存储的long值
CONSTANT_Double_info	tag	u1	值为6
CONSTANT_Double_info	bytes	u8	按照高位在前存储的double值
CONSTANT_Class_info	tag	u1	值为7
CONSTANT_Class_info	index	u2	指向全限定名常量项的索引
CONSTANT_String_info	tag	u1	值为8
CONSTANT_String_info	index	u2	指向字符串字面量的索引
CONSTANT_Fieldref_info	tag	u1	值为9
CONSTANT_Fieldref_info	index	u2	指向声明字段的类或接口描述符CONSTANT_Class_info的索引项
CONSTANT_Fieldref_info	index	u2	指向字段名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引项
CONSTANT_Methodref_info	tag	u1	值为10
CONSTANT_Methodref_info	index	u2	指向声明方法的类描述符CONSTANT_Class_info的索引项
CONSTANT_Methodref_info	index	u2	指向方法名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引项
CONSTANT_InrerfaceMethodref_info	tag	u1	值为11
CONSTANT_InrerfaceMethodref_info	index	u2	指向声明方法的接口描述符CONSTANT_Class_info的索引项
CONSTANT_InrerfaceMethodref_info	index	u2	指向方法名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引项
CONSTANT_NameAndType_info	tag	u1	值为12
CONSTANT_NameAndType_info	index	u2	指向字段或方法名称常量项目的索引
CONSTANT_NameAndType_info	index	u2	指向该字段或方法描述符常量项的索引
CONSTANT_MethodHandle_info	tag	u1	值为15
CONSTANT_MethodHandle_info	reference_kind	u1	值必须在1~9之间，它决定方法句柄的类型。
CONSTANT_MethodHandle_info	reference_index	u2	值必须是对常量池的有效索引
CONSTANT_MethodType_info	tag	u1	值为16
CONSTANT_MethodType_info	descriptor_index	u2	值必须是对常量池的有效索引
CONSTANT_InvokeDynamic_info	tag	u1	值为18
CONSTANT_InvokeDynamic_info	bootstrap_method_attr_index	u2	值必须是当前Class文件中引导方法表的bootstrap_methods[]数组的有效索引
CONSTANT_InvokeDynamic_info	name_and_type_index	u2	值必须是当前常量池的有效索引。

Javap

我们可以利用javap命令反编译出class，常量池如下：

字面量

类似于java中的常量，比如String，或者修饰final的常量值。

符号引用

包括下面三种常量：

1. 类和接口的全限定名
2. 字段的名称和描述符
3. 方法的名称和描述符

3.3 访问标志

常量池结束后，紧接着的2个字节代表访问标志位（access_flags），这个标志位识别这个class是类还是接口；是否定义为public类型；是否定义abstract类型；是否声明为final等。标志位的含义如下表：

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	是否为public类型
ACC_FINAL	0x0010	是否被声明为final
ACC_SUPER	0x0020	是否使用invokespecial字节码指令，JDK1.0.2之后为真
ACC_INTERFACE	0x0200	标示为一个接口
ACC_ABSTRACT	0x0400	是否为abstract：接口和抽象类为真
ACC_SYNTHETIC	0x1000	表示这个类并非用户代码产生的
ACC_ANNOTATION	0x2000	表示这是一个注解
ACC_ENUM	0x4000	表示这是一个枚举

例子：00 21（000000d0:7-8）代表此类为public类。

3.4 类索引、父类索引与接口索引集合

类索引：u2类型的数据。00 01（000000d0:9-a），引用第1个常量。即：com.lin.TestClass

父类索引：u2类型的数据。00 03（000000d0:b-c），引用第3个常量。即：java.lang.Object

接口索引：一组u2类型的数据。00 00（000000d0:d-e），为0代表没有实现接口。如果有实现接口，那么这个数代表实现多少个接口，接下来的多少个u2指向对于接口。

3.5 字段表集合

用于描述接口或者类中声明的变量。包括类级变量以及实例级变量，但不包括方法内部变量。

Class字段表集合第一个u2字节代表变量数量，之后开始描述各个变量。

例子：00 01（000000d0:f – 000000e0:0）代表变量数量为1。

变量的描述结构如下：

类型	名称	数量
u2	access_flags 修饰位	1
u2	name_index 变量名称	1
u2	descriptor_index 变量类型	1
u2	attributes_count 属性表集合数量	1
attribute_info	Attributes 属性表	attributes_count

其中修饰位对应表如下

标志位名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	Public
ACC_PRIVATE	0x0002	Private
ACC_PROTECTED	0x0004	Protected
ACC_STATIC	0x0008	Static
ACC_FINAL	0x0010	Final
ACC_VOLATILE	0x0040	Volatile
ACC_TRANSIENT	0x0080	Transient
ACC_SYNTHETIC	0x1000	是否有编译器自动产生
ACC_ENUM	0x4000	是否为enum

其中变量类型对应表如下

标识字符	含义	标识字符	含义
B	基本类型byte	J	基本类型long
C	基本类型char	S	基本类型short
D	基本类型double	Z	基本类型boolean
F	基本类型float	V	特殊类型void
I	基本类型int	L	对象类型

例子1： 00 02（000000e0:1-2）代表修饰符，private

00 05（000000e0:3-4）代表名称，映射到常量第5个。

00 06（000000e0:5-6）代表变量类型，6代表映射到常量第6个。

00 00（000000e0:7-8）代表属性表数量，这里为0。

注：属性表将在3.7中的属性表集合介绍。

#3.6 方法表集合

存储对方法的描述。第一个u2是描述方法数量。

例子：00 02（000000e0:9-a）代表存在2个方法

结构与字段表集合类似，结构如下

类型	名称	数量
u2	access_flags 修饰位	1
u2	name_index 方法名称	1
u2	descriptor_index 方法描述符	1
u2	attributes_count 属性表集合数量	1
attribute_info	Attributes 属性表	attributes_count

其中修饰位对应表如下

标志位名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	Public
ACC_PRIVATE	0x0002	Private
ACC_PROTECTED	0x0004	Protected
ACC_STATIC	0x0008	Static
ACC_FINAL	0x0010	Final
ACC_SYNCHRONIZED	0x0020	synchronized
ACC_BRIDGE	0x0040	方法是否有编译器产生的桥接方法
ACC_VARARGS	0x0080	方法是否接受不定参数
ACC_NATIVE	0x0100	native
ACC_ABSTRACT	0x0400	abstract
ACC_STRICTFP	0x0800	strictifp
ACC_ENUM	0x1000	native

例子1：00 01（000000e0:b-c）代表修饰符，public

00 07（000000e0:d-e）代表方法名称，常量第7个：

00 08（000000e0:f-000000f0:0）代表方法描述符，常量第8个：()V。

00 01（000000f0:1-2）代表方法在属性表集合存在1个属性。

00 09（000000f0:3-4）代表属性对应第9个常量：Code

例子2：00 01（00000120:8-9）代表修饰符，public

00 10（00000120:a-b）代表方法名称，常量第16个：inc

00 11（00000120:c-d）代表方法描述符，常量第17个：()I。

00 01（00000120:c-d）代表方法在属性表集合存在1个熟悉。

00 09（00000130:0-1）代表属性对应第9个常量：Code

3.7 属性表集合

存在于字段表集合和方法表集合里面，用于描述某些场景专有的信息。

预定义属性

预定义的属性表如下21项：

属性名称	使用位置	含义
Code	方法表	Java代码编译成的字节码指令
ConstantValue	字段表	final关键字定义的常量池
Deprecated	类，方法，字段表	被声明为deprecated的方法和字段
Exceptions	方法表	方法抛出的异常
EnclosingMethod	类文件	仅当一个类为局部类或者匿名类是才能拥有这个属性，这个属性用于标识这个类所在的外围方法
InnerClass	类文件	内部类列表
LineNumberTable	Code属性	Java源码的行号与字节码指令的对应关系
LocalVariableTable	Code属性	方法的局部便狼描述
StackMapTable	Code属性	JDK1.6中新增的属性，供新的类型检查检验器检查和处理目标方法的局部变量和操作数有所需要的类是否匹配
Signature	类，方法表，字段表	用于支持泛型情况下的方法签名
SourceFile	类文件	记录源文件名称
SourceDebugExtension	类文件	用于存储额外的调试信息
Synthetic	类，方法表，字段表	标志方法或字段为编译器自动生成的
LocalVariableTypeTable	类	使用特征签名代替描述符，是为了引入泛型语法之后能描述泛型参数化类型而添加
RuntimeVisibleAnnotations	类，方法表，字段表	为动态注解提供支持
RuntimeInvisibleAnnotations	表，方法表，字段表	用于指明哪些注解是运行时不可见的
RuntimeVisibleParameterAnnotation	方法表	作用与RuntimeVisibleAnnotations属性类似，只不过作用对象为方法
RuntimeInvisibleParameterAnnotation	方法表	作用与RuntimeInvisibleAnnotations属性类似，作用对象哪个为方法参数
AnnotationDefault	方法表	用于记录注解类元素的默认值
BootstrapMethods	类文件	用于保存invokeddynamic指令引用的引导方式限定符

Code属性表的结构

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_length
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

例子：00 09（000000f0:3-4）代表属性对应第9个常量：Code

00 00 00 2F（000000f0:5-8）代表属性长度为十进制47。

00 01（000000f0:9-a）代表操作数栈为1。

00 01（000000f0:b-c）代表局部变量存储空间，单位是slot。

00 00 00 05（000000f0:d-00000100:0）代表字节码指令数。

2A B7 00 0A B1（00000100:1-5）代表5个指令，请查看指令表对应。

00 00（00000100:6-7）代表异常属性表长度，0代表不存在。

00 02（00000100:8-9）代表存在2个附加属性。

Exceptions属性

与Code属性平级的属性。与异常表不一样，异常表在于属性里面。

与Code属性平级的属性。与异常表不一样，异常表在于属性里面。

类型	名称	数量
u2	attribute_name_index	1
u2	attribute_lrngth	1
u2	attribute_of_exception	1
u2	exception_index_tsble	number_of_exceptions

LineNumberTable属性

用于描述java源码行号与字节码行号对应关系，结构如下：

类型	名称	数量
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1
u2	line_number_table_length	1
line_number_info	line_number_table	line_number_table_length

例子：00 0C（00000100:a-b）代表属性名称，对应常量第12个，即：LineNumberTable。

00 00 00 06（00000100:c-f）代表属性长度，为6。

00 01（00000110:0-1）代表1个集合的对应表。

00 00 00 03（00000110:2-5）前面一个u2代表字节码行号，后面一个u2代表java源码行号。

LocalVariableTable属性

类型	名称	数量
U2	Attribute_name_index	1
U4	Attribute_length	1
U2	local_variable_table_length	1
Local_variable_info	local_variable_table	Local_variable_table_length

其中local_variable_info的结构如下

类型	名称	数量
u2	Start_pc	1
u2	Length	1
u2	Name_index	1
u2	Descriptor_index	1
u2	index	1

例子：00 0D（00000110:6-7）代表代表属性名称，对应常量第13个，即：LocalVariableTable。

00 00 00 0C（00000110:8-b）代表属性长度为十进制12。

00 01（00000110:c-d）代表localtable长度为1。

00 00 00 05 00 0E 00 0F 00 00（00000110:e-00000120:7）代表local_variable_info。第一个u2（00 00）代表局部变量生命周期开始字节码偏移量；第二个u2（00 05）代表作用范围长度；第三个u2（00 0E）代表局部变量名，对应常量表。第四个u2（00 0F）代表局部变量描述符，对应常量表。第五个u2（00 00）代表局部变量的slot位置。

SourceFile属性

用于记录生成这个Class文件的源码文件名称。在方法表集合后面。结构如下

类型	名称	数量
U2	Attribute_name_index	1
U4	Attribute_length	1
U2	Sourcefile_index	1

例子：00 14（00000160:9-a）代表属性名称，对应常量表十进制20，即：SourceFile

00 00 00 02（00000160:b-e）代表属性长度，为2。

00 15（00000160:f-00000170:0）代表属性数据，对应常量表十进制21，即：TestClass.java

其它

其它属性就不在一一列举。

另外可以使用javap –verbose命令反编译等到结果，便于查看方法内容。