JVM的Class類文件結(jié)構(gòu)是怎樣的

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概述

我們平時在DOS界面中往往需要運行先運行javac命令，這個命令的直接結(jié)果就是產(chǎn)生相應的class文件，然后基于這個class文件才可以真正運行程序得到結(jié)果。自然。這是Java虛擬機的功勞，那么是不是Java虛擬機只能編譯.java的源文件呢？答案是否定的。時至今日，Java虛擬機已經(jīng)實現(xiàn)了語言無關(guān)性的特點。而實現(xiàn)語言無關(guān)性的基礎(chǔ)是虛擬機和字節(jié)碼的存儲格式，Java虛擬機已經(jīng)不和包括Java語言在內(nèi)的任何語言綁定。它只與“class”文件這種特定的二進制文件相關(guān)聯(lián)。在class文件中包含了Java虛擬機指令集和符號表以及若干輔助信息。可以很容易想到Java(本質(zhì)上不是Java語言本身的平臺無關(guān)性，而是其底層的Java虛擬機的平臺無關(guān)性使然。)的跨平臺，因為任何一門功能性語言都可以表示為能被Java虛擬機接受的有效的class文件。比如，除了Java虛擬機可以將Java源文件直接編譯為class文件外，使用JRuby等其他語言的編譯器一樣可以把程序代碼編譯成class文件，由此可見，Java虛擬機并不關(guān)心class文件是由何種語言編譯來的。

Class類文件結(jié)構(gòu)

Class文件是一組以8字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進制流，各個數(shù)據(jù)項目嚴格按照順序緊湊排列在class文件中，中間沒有任何分隔符，這使得class文件中存儲的內(nèi)容幾乎是全部程序運行的程序。Java虛擬機規(guī)范規(guī)定，Class文件格式采用類似C語言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)，這種結(jié)構(gòu)只有兩種數(shù)據(jù)類型：無符號數(shù)和表。

無符號數(shù)屬于基本數(shù)據(jù)類型，主要可以用來描述數(shù)字、索引符號、數(shù)量值或者按照UTF-8編碼構(gòu)成的字符串值，大小使用u1、u2、u4、u8分別表示1字節(jié)、2字節(jié)、4字節(jié)和8字節(jié)。

表是由多個無符號數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項構(gòu)成的復合數(shù)據(jù)類型，所有的表都習慣以“_info”結(jié)尾。那么表是干嘛的呢？表主要用于描述有層次關(guān)系的復合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，比如方法、字段。需要注意的是class文件是沒有分隔符的，所以每個的二進制數(shù)據(jù)類型都是嚴格定義的。具體的順序定義如下：

在class文件中，主要分為魔數(shù)、Class文件的版本號、常量池、訪問標志、類索引（還包括父類索引和接口索引集合）、字段表集合、方法表集合、屬性表集合。

魔數(shù)與Class文件版本號

頭4個字節(jié)是魔數(shù)，魔數(shù)的唯一作用在于確定這個Class文件是否是Java虛擬機接受的Class文件。如gif和jpeg等在文件頭中都存在魔術(shù)，使用魔術(shù)而不是使用擴展名是基于安全性考慮的——擴展名可以隨意被改變。Class文件的魔術(shù)值為“0xCAFEBABE”（咖啡寶貝？）。

緊接著魔數(shù)的4個字節(jié)是Class文件版本號：版本號又分為次版本號和主版本號。其中前兩個字節(jié)用于表示次版本號，后兩個字節(jié)用于表示主版本號。這個的版本號是隨著jdk版本的不同而表示不同的版本范圍的。如果Class文件的版本號超過虛擬機版本，將被拒絕執(zhí)行。

常量池

常量池可以簡單理解為class文件的資源從庫，這種數(shù)據(jù)類型是Class文件結(jié)構(gòu)中與其他項目關(guān)聯(lián)最多的數(shù)據(jù)類型，也是占用Class文件空間最大的項目之一。在常量池中主要存放字面量和符號引用。字面量比較接近Java語言層面的常量概念，比如文本字符串、聲明為final的常量值等（百度百科的解釋是字面量是用雙引用號引住的一系列字符）。符號引用則主要包括三類常量：

類和接口的全限定名  字段的名稱和描述符  方法的名稱和描述符。

符號引用與直接引用的關(guān)聯(lián)

符號引用是一組符號，用來描述所引用的目標，符號是以任何形式存在的字面量。對于符號引用Java虛擬機并沒有嚴格的限制。規(guī)定只需要使用的時候能夠無歧義定位到目標就可以。常量池存在于Class文件中，而Class文件是必須首先通過Java虛擬機的類加載機制加載到內(nèi)存中（確切的說是方法區(qū)這個內(nèi)存區(qū)域，回顧一下，方法區(qū)存放的主要是對象的實例，這個Class文件是虛擬機對外接受訪問的接口）。符號引用屬于常量池中的內(nèi)容，那么是不是說符號引用的目標已經(jīng)加載到內(nèi)存中了呢？答案是否定的，因為符號引用與虛擬機的內(nèi)存布局無關(guān)，符號引用的目標并不一定已經(jīng)加載到內(nèi)存中了。

直接引用可以是直接指向引用目標的指針、相對偏移量或者是一個能夠間接定位到目標的句柄。直接引用是和虛擬機的內(nèi)存布局有關(guān)的，同一個符號引用在不同的虛擬機上翻譯的直接引用一般是不同的。如果有了直接引用，那么引用的目標必定是存在內(nèi)存中的。

在常量池中每一項常量都是一個表，在jdk1.7中共有14中常量類型，所以常量池的項目就對應14張表，這14張表的每種類型都不一樣。但是有一個共同特點：表開始的第一位都是一個u1類型的標志位，代表這個常量屬于哪種類型。

需要注意的是，在Class文件中，方法、字段都需要引用CONSTANT-Utf8_info類型的常量，所以這種類型的常量的長度有一定的限制，也就是Java中方法、字段的最大長度。在CONSTANT-Utf8_info中，其length的值u2，說明Java虛擬機只能編譯最大大約64KB的變量或者方法名。超過的話將不會進行編譯。

訪問標志

常量池之后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是訪問標志(access_flags),這個標志主要用于識別一些類或者接口層次的訪問信息，主要包括：這個Class是類還是接口、是否定義public、是否定義abstract類型；如果是類的話是否被聲明為final等。具體的標志訪問如下：

類索引、父類索引和接口索引集合

這個數(shù)據(jù)項主要用于確定這個類的繼承關(guān)系。

其中類索引和父類索引都是一個u2類型的數(shù)據(jù)，而接口索引集合是一組u2類型的數(shù)據(jù)。在Java中由于不允許多繼承，所以父類索引是唯一的，但是一個類可以實現(xiàn)多個接口，所以得到的接口索引是一個集合，表示這個類實現(xiàn)了哪些接口。

字段表集合

字段表用于描述接口或者類中聲明的變量。

字段包括類級變量和實例級變量，但是不包括方法內(nèi)部聲明的局部變量（這些變量是存儲在Java虛擬機棧中的局部變量表中的）。自然，描述一個字段的信息包括：字段的作用域（public、protected、private）、實例變量與否（static）、可變性（final）、并發(fā)可見性（volatile）、可否被序列化（transient）、字段數(shù)據(jù)類型（基本數(shù)據(jù)類型、對象、數(shù)組）、字段名稱。字段的信息也被存放在一張表中，其字段表包括三種類型：

u2類型訪問標志（access_flags），其訪問標志在access_flags中  u2類型的name_index（字段的簡單名稱）  u2類型的描述符（descriptor_index）

上面出現(xiàn)了簡單名稱，上文中出現(xiàn)了全限定名，以及這里出現(xiàn)的描述符，三者有什么區(qū)別呢？其中全限定名稱比較好理解，就是類的完整路徑信息。而簡單名稱則是指沒有類型和參數(shù)修飾的方法或者字段名稱，比如一個方法如下：

public void inc(int a,int b){  System.out.println(a+b);}

那么這個方法的簡單名稱就是inc。

相對于以上兩者，描述符相對復雜一些。描述符的主要的作用是描述字段的數(shù)據(jù)類型、方法的參數(shù)列表和返回值。其中我們熟悉的void，在Class文件中用V表示。下面是完整的描述符標志的含義：

對于數(shù)組類型，每一維度使用一個前置的“[”字符描述，如果是二維數(shù)組，那么就有兩個“[”符號。比如“java.lang.String[][]”會被記錄成“[[Ljava.lang.String;”

對于方法，則是按照縣參數(shù)列表后返回值的順序進行描述的。比如方法int inc(int a,int[] b,char[][] c,int d)的描述符是“(I[I[[CI)I”。

方法表集合

JVM中堆方法表的描述與字段表是一致的，包括了：訪問標志、名稱索引、描述符索引、屬性表集合。方法表的結(jié)構(gòu)與字段表是一致的，區(qū)別在于訪問標志的不同。在方法中不能用volatile和transient關(guān)鍵字修飾，所以這兩個標志不能用在方法表中。在方法中添加了字段不能使用的訪問標志，比如方法可以使用synchronized、native、strictfp、abstract關(guān)鍵字修飾，所以在方法表中就增加了相應的訪問標志。

要注意的是，如果父類方法沒有在子類中重寫，那么在方法中不會自動出現(xiàn)來自父類的方法信息。同樣的，有可能添加編譯器自動增加的方法，比如方法。

屬性表集合

前面的Class文件、字段表和方法表都可以攜帶自己的屬性信息，這個信息用屬性表進行描述，用于描述某些場景專有的信息。在屬性表中沒有類似Class文件的數(shù)據(jù)項目類型和順序的嚴格要求，只要新的屬性不與現(xiàn)有的屬性名重復，任何人都可以向?qū)傩员碇袑懭胱约憾x的屬性信息。

Code屬性

Java程序方法體中的代碼經(jīng)過javac編譯最終編譯成的字節(jié)碼指令就保存在Code屬性中。但是并非所有的方法表都必須存在這個屬性。Code屬性是Class文件中最重要的一個屬性，如果把一個Java程序中的信息分為代碼（Code）和元數(shù)據(jù)（Metadata，包括類、字段、方法定義及其其他信息）兩部分，那么在整個Class文件中，Code屬性用于描述代碼，所有其他的數(shù)據(jù)項目都用于描述元數(shù)據(jù)。

Exceptions屬性

這個屬性的作用是列舉出方法中可能拋出的受查異常（Checked Exception），也就是描述throws 后的列舉的異常

LineNumberTable屬性

主要用于描述Java源代碼行號與字節(jié)碼行號之間的對應關(guān)系。這個屬性也不是必須的。如果沒有這個屬性，對程序的直接影響就是當拋出異常的時候無法顯示對應的行號；并且在調(diào)試的時候無法通過設(shè)置斷點的方法是調(diào)試程序。

LocalVariableTable屬性

用于描述棧幀中局部變量表中的變量與Java源碼中定義的變量的之間的關(guān)系。也不屬于必須的屬性。如果沒有這個屬性，產(chǎn)生的直接影響就是當別人引用這個方法的時候，所有的參數(shù)名稱都會丟失，IDE將會使用諸如args0、args1之類的參數(shù)進行顯示。自然，當調(diào)試程序的時候，顯示的參數(shù)名稱是不可知的。

SourceFile屬性

用于記錄這個Class文件的源碼文件名稱。如果不使用這個屬性，那么當拋出異常的時候，堆棧中將不會顯示出錯代碼所屬的文件名。

ConstantValue屬性

作用是通知虛擬機自動為靜態(tài)變量賦值。要注意的是，只有被static關(guān)鍵字修飾的額變量才可以使用這個屬性（類變量）。對于非類變量，初始化是在方法中進行的；對于類變量可以選擇兩種方式進行變量的初始化：一是在類構(gòu)造器方法中使用；二是是ConstantValue屬性。目前Sun Hotspot的選擇原則是：如果一個變量同時使用static和final關(guān)鍵字修飾，并且這個變量是基本數(shù)據(jù)類型或者java.lang.String類型的話，就使用ConstantValue屬性進行初始化。如果沒有被final修飾或者并非是基本數(shù)據(jù)類型，那么將會選擇使用方法進行初始化。

InnerClass屬性

這個屬性主要用于記錄內(nèi)部類與宿主類之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

Deprecated以及Synthetic屬性

這兩個屬性都屬于標志類型的布爾屬性，只存在有沒有的區(qū)別。

Deprecated屬性用于表示某個類、字段或者方法，已經(jīng)被程序作者定為不再推薦使用，可以通過注解@deprecated實現(xiàn)

Synthetic屬性代表此字段并不是由Java源碼產(chǎn)生的，而是通過編譯器自行添加的。

StackMapTable屬性

該屬性的目的在于代替以前比較消耗性能的基于數(shù)據(jù)流分析的類型推導驗證器。

Signature屬性

這個屬性是專門用來記錄泛型類型的，因為在Java語言采用的是擦除法實現(xiàn)的泛型，在字節(jié)碼（Code屬性）中，泛型信息編譯之后會被擦除。擦除法的優(yōu)點是能夠節(jié)省泛型所占的內(nèi)存空間，缺點是在運行期間無法通過反射得到泛型信息，而Signature屬性則彌補了這一缺陷?，F(xiàn)在的Java反射API已經(jīng)能夠得到泛型信息，功勞就在于這個屬性。

BootstrapMethods屬性

這個屬性用于保存invokedynamic指令引用的引導方法限定符。該指令用于在運行時動態(tài)解析出調(diào)用點限定符所引用的方法，并執(zhí)行該方法。

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