JVM入門之什么是Class文件

這篇文章主要介紹“JVM入門之什么是Class文件”，在日常操作中，相信很多人在JVM入門之什么是Class文件問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”JVM入門之什么是Class文件”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

1、什么是JVM虛擬機(jī)

1.1概念

Java作為一門編程語言能夠獲得如此廣泛的認(rèn)可，除了它有結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，面向?qū)ο蟮木幊陶Z言之外，它還具備一個(gè)非常突出的特性：一次編寫，到處運(yùn)行，即編寫的程序可以擺脫硬件平臺束縛，它提供了一種相對安全的內(nèi)存管理和訪問機(jī)制，避免了絕大部分內(nèi)存泄漏和指針越界問題。

談到j(luò)vm，就離不開與jdk和jre的對比，那么它們之間到底有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？

1.2 jdk/jre/jvm

我們先看這樣一幅架構(gòu)圖，

從集合關(guān)系上看，jdk>jre>jvm，除了范圍上的區(qū)別，我們應(yīng)該了解的是它們所包含的功能上的差別及各自發(fā)揮的作用。

• jdk

jdk的全稱是Java Development kit（java開發(fā)工具包），我們可以把程序設(shè)計(jì)語言、java虛擬機(jī)、java類庫這三部分統(tǒng)稱為jdk，jdk是用于支持java程序開發(fā)的最小環(huán)境。Developer可以很容易的使用里面的方法以減少代碼量，里面同時(shí)包含jre和一些開發(fā)的小工具（如編譯工具javac），同時(shí)包含了jre。

• jre

jre的全稱是Java Running Environment（java運(yùn)行時(shí)環(huán)境 ），可以把java類庫API中的javaSE的API子集和java虛擬機(jī)這兩部分統(tǒng)稱為JRE，JRE是支持java程序運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。

• jvm

jvm的全稱java virtual machine（java 虛擬機(jī)），它只認(rèn)識XXX.class文件，虛擬機(jī)可以識別這種文件的字節(jié)碼指令并調(diào)用操作系統(tǒng)上的API，正是這個(gè)原因，java才可以跨平臺使用。

1.3代碼的執(zhí)行

不管怎么說，jvm終究是一個(gè)軟件，那么它是怎樣屏蔽底層的操作系統(tǒng)、硬件、CPU指令層的細(xì)節(jié)呢？我們以Java程序?yàn)槔齺矸治鏊膱?zhí)行流程。

實(shí)現(xiàn)語言無關(guān)性的基礎(chǔ)是虛擬機(jī)和字節(jié)碼的存儲格式，Java虛擬機(jī)不與包括Java語言在內(nèi)的任何程序語言綁定，它只與Class文件這種特定的二進(jìn)制文件格式所關(guān)聯(lián)。

2、類文件結(jié)構(gòu)

Class文件是Java語言保持良好兼容性的關(guān)鍵，那么Class文件的結(jié)構(gòu)是什么呢，存儲那些內(nèi)容呢？

事實(shí)上，Class文件是一組以8字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進(jìn)制流，各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目嚴(yán)格的按照順序緊湊地排列在文件之中，中間沒有添加任何分割符，這使得整個(gè)Class文件存儲的內(nèi)容幾乎全部是程序運(yùn)行的必要數(shù)據(jù)，沒有空隙存在。

《Java虛擬機(jī)規(guī)范》規(guī)定了Class文件格式采用一種類似C語言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)，這種偽結(jié)構(gòu)只包含兩種數(shù)據(jù)類型，即無符號數(shù)和表。

• 無符號數(shù)

無符號數(shù)屬于基本數(shù)據(jù)類型，可以用來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或按照UTF-8編碼構(gòu)成的字符串值

• 表

表是由多個(gè)無符號數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，為了便于區(qū)分，所有表的命名的都以_info結(jié)尾。

class文件通過固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)排列順序并且每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指定了占用的字節(jié)長度來緊湊的在組成了完整的可讀文件，jvm只需要從文件開始的地方一步一步的讀取能夠完全的解析出這個(gè)類文件的內(nèi)容。

來感受一下字節(jié)碼文件長啥樣！

在class文件中，前4個(gè)字節(jié)被稱為魔數(shù)，它能夠唯一確定class文件能否被虛擬機(jī)接受。其實(shí)，魔數(shù)還廣泛應(yīng)用在GIF、JPEG等文件頭中。

緊接著魔數(shù)的4個(gè)字節(jié)存儲的是Class文件的版本號，第5和第6個(gè)字節(jié)是次版本號，第7和第8個(gè)字節(jié)是主版本號。Java的版本號是從45開始的，JDK1.1之后的每個(gè)JDK大版本發(fā)布的主版本號加1(JDK1.0~1.1使用了45.0~45.3的版本號)，《Java虛擬機(jī)規(guī)范》在Class文件校驗(yàn)部分明確要求了即使文件格式并未發(fā)生變化，虛擬機(jī)也必須拒絕執(zhí)行超過其版本號的Class文件，所以高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但是不能運(yùn)行以后版本的Class文件。

2.2常量池

在魔數(shù)、版本號之后，下一個(gè)位置存儲的就是常量池，常量池可以認(rèn)為是Class文件里的資源倉庫，它是Class文件結(jié)構(gòu)中與其它項(xiàng)目關(guān)聯(lián)最多的數(shù)據(jù)。常量池的前兩個(gè)字節(jié)占有的位置稱為常量池計(jì)數(shù)器(constant_pool_cont)，它記錄著常量池的組成元素常量池項(xiàng)(cp_info)的個(gè)數(shù)。

常量池計(jì)數(shù)器是從1開始的，而不是從0開始的，即如果常量池計(jì)數(shù)器的值constant_pool_count=22，則后面的cp_info的個(gè)數(shù)就為21，這是因?yàn)樵谥付╟lass文件規(guī)范的時(shí)候，將第0項(xiàng)常量空出來是為了滿足某些指向常量池的索引值的數(shù)據(jù)在特定的情況下表達(dá)”不引用任何一個(gè)常量池項(xiàng)“，這種情況下可以將索引值設(shè)置為0來表示。

常量池中主要存放兩大類常量：字面量和符號引用，字面量可以理解為Java語言層面上的的常量概念，如文本字符串、被聲明為final的常量值等。而符號引用則包括類和結(jié)構(gòu)的全限定名稱、字段的名稱和描述符、方法的名稱和描述符等。

Class文件存儲了方法、字段等各種類信息，但是它僅僅是存儲了而已，它是不能反映出方法、字段等信息在內(nèi)存中的布局。這是因?yàn)镴ava語言并不像C++語言有鏈接的概念，但是Java語言在虛擬機(jī)加載時(shí)會進(jìn)行動態(tài)的連接，虛擬機(jī)將會從常量池中獲得對應(yīng)的符號引用，再在類創(chuàng)建時(shí)或運(yùn)行時(shí)進(jìn)行解析、翻譯到具體的內(nèi)存地址之中。

2.3訪問標(biāo)志

在常量池結(jié)束之后，緊接著的2個(gè)字節(jié)代表訪問標(biāo)志(access_flags)，這個(gè)標(biāo)志用于識別一些類或者接口層次的訪問信息。比如標(biāo)識一個(gè)Class是類還是接口；是否定義為public類型；是否定義為abstract類型；是否被聲明為final。

標(biāo)志值與標(biāo)志名稱的對應(yīng)關(guān)系如下：

標(biāo)志名稱就是限定訪問信息的，如ACC_PUBLIC表示為是否為public類型，ACC_FINAL表示為是否被聲明為final，其它的標(biāo)志類似。

2.4索引

訪問標(biāo)志結(jié)束后，緊接就是索引，包括類索引、父類索引與接口索引集合，Class文件可以由這三項(xiàng)數(shù)據(jù)來確定該類型的繼承關(guān)系。我們先了解下這三類索引的各有什么作用

• 類索引

類索引用于確定這個(gè)類的全限定名，通過類的全限定名找到這個(gè)類，所以類索引的作用就是為找出class文件所描述的這個(gè)類叫什么名字。

• 父類索引

父類索引用于確定這個(gè)類的父類的全限定名，有Java語言不支持多重繼承，所以除了Object外，其它類的父類索引只有一個(gè)。

• 接口索引的集合

它是用來描述這個(gè)類實(shí)現(xiàn)哪些接口，由于接口是多實(shí)現(xiàn)的，所以這些實(shí)現(xiàn)的接口將會按順序排列在索引集合中。接口索引的集合在入口處會有一個(gè)計(jì)數(shù)器，它用來表示集合中索引的數(shù)量，如果該類沒有實(shí)現(xiàn)接口，則該計(jì)數(shù)器為0。

Note:類索引、父類索引和接口索引集合指向常量池中的符號引用。

2.5字段表集合

字段表集合用于描述接口或者類中聲明的變量，它有若干個(gè)字段表組成，字段表集合的就類似一個(gè)數(shù)組的結(jié)構(gòu)，jvm在編譯類的時(shí)候，會將類中的定義的字段的個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)到字段計(jì)數(shù)器中，然后將每一個(gè)字段信息以結(jié)構(gòu)的形式組成起來放在字段計(jì)數(shù)器之后。其結(jié)

特別需要注意的是，這里的字段包括類變量以及實(shí)例變量，但是不包括方法內(nèi)部的聲明的局部變量。

我們在思考這樣一個(gè)問題，字段表存儲的是那些信息，這些信息是什么呢，事實(shí)上，字段表存儲的就是字段信息，我們整理如下

• 修飾符(public、protected、private)

• 實(shí)例變量還是類變量(被static修飾)

• 可變性(final)

• 并發(fā)可見性(volatile)

• 是否可被序列化(transient)

• 字段數(shù)據(jù)類型(基本類型、對象、數(shù)組)

• 字段名稱

既然字段有那么多信息，他的存儲的形式是怎樣的呢？事實(shí)上，字段的存儲和我們寫字段的形式是一樣的，不懂？那我們就回顧下！

在字節(jié)碼，JVM定義了filed_info結(jié)構(gòu)體來描述字段，它的形式也很簡單，就是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，

Field_info{    access_flags;    name_index;    descriptor_index;    attribute_count;    attributes;}

access_flags是訪問標(biāo)志，與前面講解的訪問標(biāo)志功能是類似的，緊接著access_flags標(biāo)志的是name_index和descriptor_index,它們是對常量池的引用，分別代表著字段的簡單名稱以及字段和方法的描述符。簡單名稱就是指沒有類型和參數(shù)修飾的方法或者字段名稱；字段和方法描述符指的是基本類型的頭一個(gè)大寫字母，如基本數(shù)據(jù)類型是byte，則方法描述修飾符是B。attribute_count表示的屬性計(jì)數(shù)器，attributes包含三部分內(nèi)容(屬性名稱索引、屬性的長度和常量值索引)

2.6方法表集合

方法表集合結(jié)構(gòu)同字段表集合的結(jié)構(gòu)是一樣的，我們這里主要講解它們之間的區(qū)別，剩下都可以按照屬性表集合來學(xué)習(xí)。

• 區(qū)別一

對于方法來說，volatile關(guān)鍵字和transient關(guān)鍵字是不修飾方法的，所以訪問標(biāo)志中不會有相應(yīng)的標(biāo)志；但是synchronized、native、stricftp和abstract關(guān)鍵字是可以修飾方法的，所以在會有相應(yīng)的訪問標(biāo)志。

• 區(qū)別二

與字段相比，方法內(nèi)是有代碼的，那么方法內(nèi)的代碼存儲到哪里去了呢？事實(shí)上，對于方法里的Java代碼，經(jīng)Javac編譯器編譯成字節(jié)碼的指令后，存放在方法屬性表集合中會有一個(gè)名為Code的屬性里面。

總結(jié)

Class文件的主要結(jié)構(gòu)都說完了，我們從宏觀的角度看看Class文件到底是什么樣，話不多說，來看圖

到此，關(guān)于“JVM入門之什么是Class文件”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬?shí)用的文章！