JVM中的Class文件結(jié)構(gòu)

本篇內(nèi)容主要講解“JVM中的Class文件結(jié)構(gòu)”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡(jiǎn)單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“JVM中的Class文件結(jié)構(gòu)”吧!

 概述

本文主要介紹了Class文件的主要組成，包括魔數(shù)、版本號(hào)、常量池、訪問標(biāo)志等。

Class文件概覽

根據(jù)JVM規(guī)范，一個(gè)Class文件可以非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)孛枋鰹椋?/p>

ClassFile{
	u4             magic;
    u2             minor_version;
    u2             major_version;
    u2             constant_pool_count;
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];
    u2             access_flags;
    u2             this_class;
    u2             super_class;
    u2             interfaces_count;
    u2             interfaces[interfaces_count];
    u2             fields_count;
    field_info     fields[fields_count];
    u2             methods_count;
    method_info    methods[methods_count];
    u2             attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

下面會(huì)按順序詳細(xì)介紹里面的各個(gè)字段。

 魔數(shù)

魔數(shù)（Magic Number）作為Class的標(biāo)志，用來告訴JVM這是一個(gè)Class文件，魔數(shù)是一個(gè)4字節(jié)的無符號(hào)整數(shù)，固定為0xCAFEBABE。如果一個(gè)Class文件不以0xCAFEBABE開頭，那么會(huì)拋出如下錯(cuò)誤：

Linux下可以直接使用vim打開class文件進(jìn)行查看，比如需要打開一個(gè)Test.class文件，可以輸入如下命令：

vim -b Test.class
:%!xxd

切換到十六進(jìn)制后就可以看到魔數(shù)了：

 版本

魔數(shù)后面緊跟著Class的小版本和大版本號(hào)，這表示當(dāng)前Class文件是由哪個(gè)版本的編譯期產(chǎn)生的。小版本和大版本后都是占用兩個(gè)字節(jié)，比如下圖：

• 0000是小版本號(hào)

• 0037是大版本號(hào)，十進(jìn)制為55，也就是對(duì)應(yīng)JDK 11版本的編譯期

 常量池

在版本號(hào)后面，緊跟著就是常量池的數(shù)量以及若干個(gè)常量池表項(xiàng)：

其中每一個(gè)常量池表項(xiàng)都具有標(biāo)簽屬性：

對(duì)應(yīng)關(guān)系舉例如下：

• tag為3：類型為CONSTANT_Integer

• tag為4：類型為CONSTANT_Float

等等，比如CONSTANT_Integer結(jié)構(gòu)如下：

CONSTANT_Integer_info {
    u1 tag;
    u4 bytes;
}

一個(gè)tag加上一個(gè)四字節(jié)的無符號(hào)整數(shù)。其他類型大部分類似，篇幅限制，詳細(xì)請(qǐng)看JVM規(guī)范。

 訪問標(biāo)記

訪問標(biāo)記使用兩個(gè)字節(jié)表示，用于表明該類的訪問信息，比如public/abstract等，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

• ACC_PUBLIC：0x0001，表示public類

• ACC_FINAL：0x0010，表示是否為final類

• ACC_SUPER：0x0020，表示使用增強(qiáng)的方法調(diào)用父類的方法

• ACC_INTERFACE：0x0200，表示是否為接口

• ACC_ABSTRACT：0x0400，表示是否為抽象類

• ACC_SYNTHETIC：0x1000，由編譯期產(chǎn)生的類，沒有源碼對(duì)應(yīng)

• ACC_ANNOTATION：0x2000，表示是否是注釋

• ACC_ENUM：0x4000，表示是否為枚舉

當(dāng)前類、父類和接口

格式如下：

u2             this_class;                                    
u2             super_class;
u2             interfaces_count;
u2             interfaces[interfaces_count];

其中this_class與super_class都是兩個(gè)字節(jié)的無符號(hào)整數(shù)，指向常量池中的一個(gè)CONSTANT_Class，表示當(dāng)前的類型以及父類。另外，由于一個(gè)類可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口，因此需要以數(shù)組形式保存多個(gè)接口的索引，如果沒有實(shí)現(xiàn)任何接口，則interfaces_count為0。

字段

字段的格式如下：

u2             fields_count;
field_info     fields[fields_count];

fields_count是一個(gè)2字節(jié)的無符號(hào)整數(shù)，字段數(shù)量之后是具體的字段信息，每個(gè)字段都是一個(gè)field_info的結(jié)構(gòu)，如下所示：

field_info {
    u2             access_flags;                         //訪問標(biāo)記，類似于類的訪問標(biāo)記，可以表示public/private/static等等
    u2             name_index;                           //兩字節(jié)整數(shù)，指向常量池中的CONSTANT_Utf8
    u2             descriptor_index;                     //也是兩字節(jié)整數(shù)，用于描述字段類型，也指向常量池中的CONSTANT_Utf8
    u2             attributes_count;                     //屬性數(shù)量
    attribute_info attributes[attributes_count];         //屬性，比如存儲(chǔ)初始化值，一些注釋信息等，需要使用attribute_info
}

attribute_info {
    u2 attribute_name_index;                             //屬性名字，指向常量池的索引
    u4 attribute_length;                                 //屬性長(zhǎng)度
    u1 info[attribute_length];                           //字節(jié)數(shù)組表示的信息
}

 方法

1 方法基本結(jié)構(gòu)

方法的格式如下：

u2             methods_count;
method_info    methods[methods_count];

其中每一個(gè)method_info結(jié)構(gòu)表示一個(gè)方法：

method_info {
    u2             access_flags;                            //訪問標(biāo)記，標(biāo)記方法為public/private等等
    u2             name_index;                              //方法名稱，一個(gè)指向常量池的索引
    u2             descriptor_index;                        //方法描述符，也是一個(gè)指向常量符的索引
    u2             attributes_count;                        //屬性數(shù)量
    attribute_info attributes[attributes_count];            //屬性，和字段類似，方法也可以攜帶屬性，一個(gè)屬性數(shù)量+一個(gè)屬性描述數(shù)組
}

2 Code屬性

方法的主要內(nèi)容存放在屬性中，在屬性里面最重要的一個(gè)屬性就是Code，Code存放著方法的字節(jié)碼等信息，結(jié)構(gòu)如下：

Code_attribute {
    u2 attribute_name_index;                      //屬性名稱，指向常量池的索引
    u4 attribute_length;                          //屬性長(zhǎng)度，不包括前6字節(jié)（u2+u4）
    u2 max_stack;                                 //操作數(shù)棧最大深度
    u2 max_locals;                                //局部變量表的最大值
    u4 code_length;                               //字節(jié)碼長(zhǎng)度
    u1 code[code_length];                         //字節(jié)碼內(nèi)容本身
    u2 exception_table_length;                    //異常處理表長(zhǎng)度
    {   u2 start_pc;                              //四個(gè)字段表示在start_pc到end_pc兩個(gè)偏移量之間
        u2 end_pc;                                //如果遇到了catch_type指向的異常
        u2 handler_pc;                            //代碼就跳轉(zhuǎn)到handler_pc位置執(zhí)行
        u2 catch_type;                            
    } exception_table[exception_table_length];    //異常表
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

Code屬性本身也包含其他屬性以進(jìn)一步存儲(chǔ)一些額外信息，主要包括：

• LineNumberTable

• LocalVariableTable

• StackMapTable

2.1 LineNumberTable

LineNumberTable用于記錄字節(jié)碼偏移量和行號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)構(gòu)如下：

LineNumberTable_attribute {
    u2 attribute_name_index;                             //指向常量池的索引
    u4 attribute_length;                                 //屬性長(zhǎng)度
    u2 line_number_table_length;                         //表項(xiàng)記錄條數(shù)
    {   u2 start_pc;                                     //字節(jié)碼偏移量
        u2 line_number;	                                 //字節(jié)碼偏移量對(duì)應(yīng)的行號(hào)
    } line_number_table[line_number_table_length];       //表數(shù)組，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)的是一個(gè)<start_pc,line_number>元組
}

2.2 LocalVariableTable

這個(gè)屬性也叫局部變量表，記錄了一個(gè)方法中所有的局部變量，結(jié)構(gòu)如下：

LocalVariableTable_attribute {
    u2 attribute_name_index;                                     //當(dāng)前屬性名字，指向常量池的索引
    u4 attribute_length;                                         //屬性長(zhǎng)度
    u2 local_variable_table_length;                              //局部變量表的表項(xiàng)條目
    {   u2 start_pc;                                             //當(dāng)前局部變量開始位置
        u2 length;                                               //當(dāng)前局部變量長(zhǎng)度（可用于計(jì)算結(jié)束位置）
        u2 name_index;                                           //局部變量名稱，指向常量池的索引
        u2 descriptor_index;                                     //局部變量的類型描述，指向常量池的索引
        u2 index;                                                //局部變量在當(dāng)前棧幀的局部變量表中的槽位
    } local_variable_table[local_variable_table_length];         
}

2.3 StackMapTable

StackMapTable中含有若干個(gè)棧映射幀（Stack Map Frame）的數(shù)據(jù)，不包含運(yùn)行時(shí)所需要的信息，僅用作Class文件的類型校驗(yàn)，結(jié)構(gòu)如下：

StackMapTable_attribute {
    u2              attribute_name_index;                         //常量池索引，恒為"StackMapTable"
    u4              attribute_length;                             //屬性長(zhǎng)度
    u2              number_of_entries;                            //棧映射幀的數(shù)量
    stack_map_frame entries[number_of_entries];                   //具體的棧映射幀
}

union stack_map_frame {                                           //每個(gè)棧映射幀被定義為一個(gè)枚舉值，取值如下
    same_frame;                                                   //具體每個(gè)取值的意義可以查看JVM規(guī)范
    same_locals_1_stack_item_frame;                               //https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se11/html/jvms-4.html#jvms-4.7.4
    same_locals_1_stack_item_frame_extended;
    chop_frame;
    same_frame_extended;
    append_frame;
    full_frame;
}

每個(gè)棧映射幀是為了說明在一個(gè)特定的字節(jié)碼偏移位置上，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型是什么，包括局部變量表的類型和操作數(shù)棧的類型。

 附錄：ASM簡(jiǎn)單使用

ASM是一個(gè)Java字節(jié)碼操作庫，很多著名的庫都依賴于該庫，比如AspectJ、CGLIB等等。但是ASM的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CGLIB等高層字節(jié)碼庫，因?yàn)?code>ASM更加接近底層，使用更為靈活且功能更為強(qiáng)大。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的使用ASM輸出Hello World的例子：

package com.company;

import org.objectweb.asm.ClassWriter;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;

public class Main extends ClassLoader implements Opcodes {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
    	//創(chuàng)建ClassWriter，指定COMPUTE_MAXS和COMPUTE_FRAMES，分別表示計(jì)算最大局部變量表以及最深操作數(shù)棧
        ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS | ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
        //通過ClassWriter設(shè)置類的基本信息，比如public訪問標(biāo)記，類名為Example
        cw.visit(V11,ACC_PUBLIC,"Example",null,"java/lang/Object",null);
        //生成Example的構(gòu)造方法
        MethodVisitor mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC ,"<init>","()V",null,null);
        mw.visitVarInsn(ALOAD,0);
        mw.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL,"java/lang/Object","<init>","()V",false);
        mw.visitInsn(RETURN);
        mw.visitMaxs(0,0);
        mw.visitEnd();

		//生成public static void main(String []args)方法，并生成了main()方法的字節(jié)碼
		//要求運(yùn)行時(shí)調(diào)用System.out.println()，并輸出"Hello world"：
        mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC+ACC_STATIC,"main","([Ljava/lang/String;)V",null,null);
        mw.visitFieldInsn(GETSTATIC,"java/lang/System","out","Ljava/io/PrintStream;");
        mw.visitLdcInsn("Hello world!");
        mw.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL,"java/io/PrintStream","println","(Ljava/lang/String;)V",false);
        mw.visitInsn(RETURN);
        mw.visitMaxs(0,0);
        mw.visitEnd();

		//獲取二進(jìn)制表示
        byte[] code = cw.toByteArray();
        Main m = new Main();
        //將class文件載入系統(tǒng)，通過反射調(diào)用`main()`方法，輸出結(jié)果
        Class<?> mainClass = m.defineClass("Example",code,0,code.length);
        mainClass.getMethods()[0].invoke(null, new Object[]{null});
    }
}

到此，相信大家對(duì)“JVM中的Class文件結(jié)構(gòu)”有了更深的了解，不妨來實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！