Class类文件的结构

 

　　Sun公司以及其他虚拟机提供商发布了许多可以运行在各种不同平台上的虚拟机，这些虚拟机都可以载入和执行同一种平台无关的的程序存储格式——字节码（ByteCode），从而实现了程序的“一次编写，到处运行”。

 

　　　　　　　　　　　　　　　　Java虚拟机提供的语言无关性

 

　　“Class文件”这种特定的二进制文件格式所关联，Class文件中包含了Java虚拟机指令集和符号表以及若干其他辅助信息。使用Java编译器可以把Java代码编译为存储字节码的Class文件。

Class类文件的结构：

　　根据Java虚拟机规范的规定，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，后面的解析都要以这两种数据类型为基础，所以这里要先介绍这两个概念。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，所有表都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上就是一张表，它由表6-1所示的数据项构成。

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Class文件格式

1、 魔数

　　每个Class文件的头4个字节称为魔数（Magic Number），它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。Class文件的魔数的获得很有“浪漫气息”，值为：0xCAFEBABE（咖啡宝贝？）。

 

2、Class文件的版本

　　紧接着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号：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的版本号是从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（JDK 1.0～1.1使用了45.0～45.3的版本号），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，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。

 

Class文件版本号

3、常量池

　　紧接着主次版本号之后的是常量池入口，常量池可以理解为Class文件之中的资源仓库，它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据类型，也是占用Class文件空间最大的数据项目之一，同时它还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目。

常量池中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References）。

　　字面量比较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、声明为final的常量值等。

　　而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了下面三类常量：

(1) 类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）

(2) 字段的名称和描述符（Descriptor）

(3) 方法的名称和描述符

 

　　常量池中每一项常量都是一个表，在JDK 1.7之前共有11种结构各不相同的表结构数据，在JDK 1.7中为了更好地支持动态语言调用，又额外增加了3种（
CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_MethodType_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info，本章不会涉及这3种新增的类型，在第8章介绍字节码执行和方法调用时，将会详细讲解）。这14种表都有一个共同的特点，就是表开始的第一位是一个u1类型的标志位（tag，取值见表6-3中标志列），代表当前这个常量属于哪种常量类型。这14种常量类型所代表的具体含义见下表。

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　常量池的项目类型

4 、访问标志

　　在常量池结束之后，紧接着的两个字节代表访问标志（access_flags），这个标志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类型；是否定义为abstract类型；如果是类的话，是否被声明为final等。具体的标志位以及标志的含义见下表。

访问标志

5 、类索引、父类索引与接口索引集合

　　类索引（this_class）和父类索引（super_class）都是一个u2类型的数据，而接口索引集合（interfaces）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这个类的继承关系。类索引用于确定这个类的全限定名，父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。由于Java语言不允许多重继承，所以父类索引只有一个，除了java.lang.Object之外，所有的Java类都有父类，因此除了java.lang.Object外，所有Java类的父类索引都不为0。接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口，这些被实现的接口将按implements语句（如果这个类本身是一个接口，则应当是extends语句）后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。

类索引、父类索引和接口索引集合都按顺序排列在访问标志之后，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。图6-6演示了代码清单6-1的代码的类索引查找过程。对于接口索引集合，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。

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6-6 类索引查找全限定名的过程

 

6 、字段表集合

　　字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量。字段（field）包括类级变量以及实例级变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。我们可以想一想在Java中描述一个字段可以包含什么信息？可以包括的信息有：字段的作用域（public、private、protected修饰符）、是实例变量还是类变量（static修饰符）、可变性（final）、并发可见性（volatile修饰符，是否强制从主内存读写）、可否被序列化（transient修饰符）、字段数据类型（基本类型、对象、数组）、字段名称。上述这些信息中，各个修饰符都是布尔值，要么有某个修饰符，要么没有，很适合使用标志位来表示。而字段叫什么名字、字段被定义为什么数据类型，这些都是无法固定的，只能引用常量池中的常量来描述。表6-8中列出了字段表的最终格式。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-8 字段表结构

　　字段修饰符放在access_flags项目中，它与类中的access_flags项目是非常类似的，都是一个u2的数据类型，其中可以设置的标志位和含义见表6-9。

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-9 字段访问标志

 

　　很明显，在实际情况中，ACC_PUBLIC、ACC_PRIVATE、ACC_PROTECTED三个标志最多只能选择其一，ACC_FINAL、ACC_VOLATILE不能同时选择。接口之中的字段必须有ACC_PUBLIC、ACC_STATIC、ACC_FINAL标志，这些都是由Java本身的语言规则所决定的。

　　跟随access_flags标志的是两项索引值：name_index和descriptor_index。它们都是对常量池的引用，分别代表着字段的简单名称以及字段和方法的描述符。现在需要解释一下“简单名称”、“描述符”以及前面出现过多次的“全限定名”这三种特殊字符串的概念。

全限定名和简单名称很好理解，以代码清单6-1中的代码为例，“
　　org/fenixsoft/clazz/TestClass”是这个类的全限定名，仅仅是把类全名中的“.”替换成了“/”而已，为了使连续的多个全限定名之间不产生混淆，在使用时最后一般会加入一个“;”表示全限定名结束。简单名称是指没有类型和参数修饰的方法或者字段名称，这个类中的inc()方法和m字段的简单名称分别是“inc”和“m”。

　　相对于全限定名和简单名称来说，方法和字段的描述符就要复杂一些。描述符的作用是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表（包括数量、类型以及顺序）和返回值。根据描述符规则，基本数据类型（byte、char、double、float、int、long、short、boolean）以及代表无返回值的void类型[插图]都用一个大写字符来表示，而对象类型则用字符L加对象的全限定名来表示，详见表6-10。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-10 描述符标识字符含义

　　字段表集合中不会列出从超类或者父接口中继承而来的字段，但有可能列出原本Java代码之中不存在的字段，譬如在内部类中为了保持对外部类的访问性，会自动添加指向外部类实例的字段。另外，在Java语言中字段是无法重载的，两个字段的数据类型、修饰符不管是否相同，都必须使用不一样的名称，但是对于字节码来讲，如果两个字段的描述符不一致，那字段重名就是合法的。

 

7、 方法表集合

　　方法表的结构如同字段表一样，依次包括了访问标志（access_flags）、名称索引（name_index）、描述符索引（descriptor_index）、属性表集合（attributes）几项，见表6-11。这些数据项目的含义也非常类似，仅在访问标志和属性表集合的可选项中有所区别。

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-11 方法表结构

 

　　因为volatile关键字和transient关键字不能修饰方法，所以方法表的访问标志中没有了ACC_VOLATILE标志和ACC_TRANSIENT标志。与之相对的，synchronized、native、strictfp和abstract关键字可以修饰方法，所以方法表的访问标志中增加了ACC_SYNCHRONIZED、ACC_NATIVE、ACC_STRICTFP和ACC_ABSTRACT标志。对于方法表，所有标志位及其取值可参见表6-12。

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-12 方法访问标志

 

 

8、属性表集合

　　属性表（attribute_info）在前面的讲解之中已经出现过数次，在Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景专有的信息。

在最新的《Java虚拟机规范（Java SE 7）》版中，预定义属性已经增加到21项，具体内容见表6-13。下文中将对其中一些属性中的关键常用的部分进行讲解。

 

　　　　　　　　　　　　　　　　表6-13 虚拟机规范预定义的属性

 

　　对于每个属性，它的名称需要从常量池中引用一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量来表示，而属性值的结构则是完全自定义的，只需要通过一个u4的长度属性去说明属性值所占用的位数即可。一个符合规则的属性表应该满足表6-14中所定义的结构。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6-14 属性表结构

（1）Code属性

　　Java程序方法体中的代码经过Javac编译器处理后，最终变为字节码指令存储在Code属性内。Code属性出现在方法表的属性集合之中，但并非所有的方法表都必须存在这个属性，譬如接口或者抽象类中的方法就不存在Code属性。

（2）Exceptions属性

　　这里的Exceptions属性是在方法表中与Code属性平级的一项属性，读者不要与前面刚刚讲解完的异常表产生混淆。Exceptions属性的作用是列举出方法中可能抛出的受查异常（Checked Excepitons），也就是方法描述时在throws关键字后面列举的异常。

（3）LineNumberTable属性

　　LineNumberTable属性用于描述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。它并不是运行时必需的属性，但默认会生成到Class文件之中，可以在Javac中分别使用-g:none或-g:lines选项来取消或要求生成这项信息。如果选择不生成LineNumberTable属性，对程序运行产生的最主要的影响就是当抛出异常时，堆栈中将不会显示出错的行号，并且在调试程序的时候，也无法按照源码行来设置断点。

（4）LocalVariableTable属性

　　LocalVariableTable属性用于描述栈帧中局部变量表中的变量与Java源码中定义的变量之间的关系，它也不是运行时必需的属性，但默认会生成到Class文件之中，可以在Javac中分别使用-g:none或-g:vars选项来取消或要求生成这项信息。如果没有生成这项属性，最大的影响就是当其他人引用这个方法时，所有的参数名称都将会丢失，IDE将会使用诸如arg0、arg1之类的占位符代替原有的参数名，这对程序运行没有影响，但是会对代码编写带来较大不便，而且在调试期间无法根据参数名称从上下文中获得参数值。

（5）SourceFile属性

　　SourceFile属性用于记录生成这个Class文件的源码文件名称。这个属性也是可选的，可以分别使用Javac的-g:none或-g:source选项来关闭或要求生成这项信息。在Java中，对于大多数的类来说，类名和文件名是一致的，但是有一些特殊情况（如内部类）例外。如果不生成这项属性，当抛出异常时，堆栈中将不会显示出错代码所属的文件名。这个属性是一个定长的属性

（6）ConstantValue属性

　　ConstantValue属性的作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值。只有被static关键字修饰的变量（类变量）才可以使用这项属性。

（7）InnerClasses属性

　　InnerClasses属性用于记录内部类与宿主类之间的关联。如果一个类中定义了内部类，那编译器将会为它以及它所包含的内部类生成InnerClasses属性。

（8）Deprecated及Synthetic属性

　　Deprecated和Synthetic两个属性都属于标志类型的布尔属性，只存在有和没有的区别，没有属性值的概念。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，它可以通过在代码中使用@deprecated注释进行设置。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，在JDK 1.5之后，标识一个类、字段或者方法是编译器自动产生的，也可以设置它们访问标志中的ACC_SYNTHETIC标志位，其中最典型的例子就是Bridge Method。所有由非用户代码产生的类、方法及字段都应当至少设置Synthetic属性和ACC_SYNTHETIC标志位中的一项，唯一的例外是实例构造器“<init>”方法和类构造器“<clinit>”方法。

（9）StackMapTable属性

　　StackMapTable属性在JDK 1.6发布后增加到了Class文件规范中，它是一个复杂的变长属性，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（见7.3.2节），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

　　Signature属性在JDK 1.5发布后增加到了Class文件规范之中，它是一个可选的定长属性，可以出现于类、属性表和方法表结构的属性表中。在JDK 1.5中大幅增强了Java语言的语法，在此之后，任何类、接口、初始化方法或成员的泛型签名如果包含了类型变量（Type Variables）或参数化类型（Parameterized Types），则Signature属性会为它记录泛型签名信息。

　　之所以要专门使用这样一个属性去记录泛型类型，是因为Java语言的泛型采用的是擦除法实现的伪泛型，在字节码（Code属性）中，泛型信息编译（类型变量、参数化类型）之后都通通被擦除掉。使用擦除法的好处是实现简单（主要修改Javac编译器，虚拟机内部只做了很少的改动）、非常容易实现Backport，运行期也能够节省一些类型所占的内存空间。但坏处是运行期就无法像C#等有真泛型支持的语言那样，将泛型类型与用户定义的普通类型同等对待，例如运行期做反射时无法获得到泛型信息。Signature属性就是为了弥补这个缺陷而增设的，现在Java的反射API能够获取泛型类型，最终的数据来源也就是这个属性。

（11）BootstrapMethods属性

　　在JDK 1.7发布后增加到了Class文件规范之中，它是一个复杂的变长属性，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。《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》规定，如果某个类文件结构的常量池中曾经出现过
CONSTANT_InvokeDynamic_info类型的常量，那么这个类文件的属性表中必须存在一个明确的BootstrapMethods属性，另外，即使CONSTANT_InvokeDynamic_info类型的常量在常量池中出现过多次，类文件的属性表中最多也只能有一个BootstrapMethods属性。BootstrapMethods属性与JSR-292中的InvokeDynamic指令和java.lang.Invoke包关系非常密切，要介绍这个属性的作用，必须先弄清楚InovkeDynamic指令的运作原理，笔者将在第8章专门用1节篇幅去介绍它们，在此先暂时略过。

　　目前的Javac暂时无法生成InvokeDynamic指令和BootstrapMethods属性，必须通过一些非常规的手段才能使用到它们。