JVM--Class文件结构

一、代码示例

　　后面的代码举例都已如下代码示例

package org.fenixsoft.clazz;
public class TestClass {
    private int m;
    public int inc() {
        return m + 1;
    }
}

　　编译后的class文件，使用16进制文本打开（我使用的是UItraEdit），内容如下：

二、class文件结构简述

　　class文件由魔数、版本号（副版本号、主版本号）、常量池信息（常量池计数器和常量池数据区）、访问标志、类索引（当前类索引、父类索引）、接口数据区（接口数量、接口信息）、方法数据区（方法数量、方法信息）、属性数据区（属性数量、属性信息组成）组成。

　　具体的内容如下表所示，无符号数使用u1、u2、u4、u8分别代表1、2、4、8个字节，如果有多个无符号组成的表，则以 _info 结尾表示（有符号可以类比为java中的简单基本数据类型，而有多个无符号组成的表可以类比为java中的一个对象，对象中都是基本数据类型的属性）

　　结构如下所示：

三、魔数与版本信息

　　1、魔数：由上面的表格可以看到，魔数占用4个字节，其值固定为CAFEBABY，与示例中的值一样

　　2、副版本号（次版本号）：占用2个字节，目前没有使用，为 00 00

　 3、主版本号：占用两个字节。JAVA的其实版本号为45，即JDK1的版本号为45，每一个大版本号加一；高版本jdk可以运行低版本jdk编译的class文件，反之则不可以。以上面的示例代码为例，其版本为十六进制的0x0034，即十进制的52，那么编译class文件的jdk版本则为jkd8（52-45+1）

四、常量池数据区

（一）常量池存储信息　　

　　紧跟着主次版本号后面的就是常量池信息。

　　常量值中主要存放两类信息：字面量和符号引用。

　　　　字面量比较接近java中常量的意思，如文本字符串、被final修饰的常量等；

　　　　而符号引用则属于编译原理方面的概念，主要包括：

　　　　　　1、被模块到处或者开放的包

　　　　　　2、类和接口的全限定名

　　　　　　3、字段的名称和描述符

　　　　　　4、方法句柄和方法类型

　　　　　　5、动态调用点和动态常量

　　最早的常量表中有11种结构不相同的表结构数据，后来为了支持动态语言调用，加入了4种，后来又为了支持模块化，又加入了两种，因此至JDK13，共有17种表结构数据。

　　每一种表结构数据最少有两部分组成，tag和info，其中tag是用来标记不同表结构的，info用来表示具体的信息。具体的info信息，可以看最后的常量表结构。

（二）int和float常量存储结构　　

　　首先对于对于基本数据类型和String的值对应的info信息是具体的值，例如int和float的结构如下所示：tag分别为3和4，然后使用4个字节来表示值。

（三）long和double常量存储结构　　

　　对于long和double类型，tag分别为5和6，并且使用8个字节存储其值，其中前4个字节为高位数，后4个字节为低位数。

（四）String常量存储结构　　

　　对于String类型的数据，tag为8，info为两个字节的字符串索引项（也就是下面要说的utf8格式的cp_info）

（五）utf8常量存储结构　　

　　上面String的info信息即是对一个UTF8格式索引项，那么utf8格式的常量，tag为1，然后使用两个字节存储utf8编码字节数组的长度，然后使用具体的长度的数组存储数据。

　　对于String存储具体是怎么样的，可以参照下图，就是定义了一个String，其字符串为“JVM原理”，那么JVM原理是存储在utf8格式的cp_info中，在utf8的cp_info中，存储了tag，长度，及具体的字符串内容；然后在String的cp_info中，只是存储了对于utf8的cp_info的索引项。

（六）类存储结构　　

　　而对于类、方法、属性的cp_info则是由类或接口的索引项和类型名称的索引项。

　　以类为例，其tag为7，index为占用两个字节的类名称索引项，对应的也是一个utf格式的cp_info

　　常量表详情：

常量名	描述	项目（无符号数）	类型	描述
CONSTANT_Utf8_info	utf8编码的字符串	tag	u1	值为1
		length	u2	utf8的字符串占用了多少字节数
		bytes	u1	长度为length的utf8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info	整型字面量	tag	u1	值为3
CONSTANT_Integer_info	整型字面量	bytes	u4	按照高位在前存储的int值
CONSTANT_Float_info	浮点数字面量	tag	u1	值为4
CONSTANT_Float_info	浮点数字面量	bytes	u4	按照高位在前存储的float值
CONSTANT_Long_info	长整型字面量	tag	u1	值为5
CONSTANT_Long_info	长整型字面量	bytes	u8	按照高位在前存储的long值
CONSTANT_Double_info	双精度浮点型字面量	tag	u1	值为6
CONSTANT_Double_info	双精度浮点型字面量	bytes	u8	按照高位在前存储的double值
CONSTANT_Class_info	类或接口的符号引用	tag	u1	值为7
CONSTANT_Class_info	类或接口的符号引用	index	u2	指向全限定名常量项的索引
CONSTANT_String_info	字符串类型字面量	tag	u1	值为8
CONSTANT_String_info	字符串类型字面量	index	u2	指向字符串字面量的索引
CONSTANT_Fieldref_info	字段的符号引用	tag	u1	值为9
		index	u2	指向字段声明类或接口描述符CONSTANT_Class_info的索引
		index	u2	指向字段描述符CONSTANT_NameAndType的索引
CONSTANT_Methodref_info	类中方法的符号引用	tag	u1	值为10
		index	u2	指向方法声明类描述符CONSTANT_Class_info的索引。
		index	u2	指向名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType的索引
CONSTANT_InterfaceMethodref_info	接口中方法的引用	tag	u1	值为11
		index	u2	指向方法声明接口描述符CONSTANT_Class_info的索引
		index	u2	指向名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType的索引
CONSTANT_NameAndType_info	字段或方法的部分符号引用	tag	u1	值为12
		index	u2	指向该字段或方法名称常量项的索引
		index	u2	指向该字段或方法描述符常量项的索引
CONSTANT_MethodHandle_info	表示方法句柄	tag	u1	值为15
		reference_kind	u1	值必须在1-9之间，闭区间，它决定了方法句柄的类型，方法句柄类型值表示方法句柄的字节码行为
		reference_index	u2	值必须是对常量池的索引
CONSTANT_MethodType_info	表示方法类型	tag	u1	值为16
CONSTANT_MethodType_info	表示方法类型	descroptor_index	u2	值必须是对常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info
CONSTANT_Dynamic_info	表示一个动态计算常量	tag	u1	值为17
		bootstrap_method_attrindex	u2	值必须是当前class文件中引导方法表的bootstrap_method[]数组的有效索引
		name_and_type_index	u2	值必须是对当前常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_NameAndType_info结构，表示方法名和方法描述符
CONSTANT_InvokeDynamic_info	表示一个动态方法调用点	tag	u1	值为18
		bootstrap_method_attrindex	u2	值必须是当前class文件中引导方法表的bootstrap_method[]数组的有效索引
		name_and_type_index	u2	值必须是对当前常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_NameAndType_info结构，表示方法名和方法描述符
CONSTANT_Module_info	表示一个模块	tag	u1	值为19
CONSTANT_Module_info	表示一个模块	name_index	u2	值必须是对当前常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info结构，表示模块名称
CONSTANT_Package_info	表示一个模块中开放或者导出的包	tag	u1	值为20
CONSTANT_Package_info	表示一个模块中开放或者导出的包	name_index	u2	值必须是对当前常量池的有效索引，常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info结构，表示模块名称

（七）哪些字面量会进入常量池

　　结论：

　　　　1、final修饰的8种基本数据类型都会进入常量池

　　　　2、非final修饰的8种基本数据类型，只有double、long、float的值会进入常量池。

　　　　3、常量池种包含的字符串类型字面量（双引号引起来的字符串值）

五、访问标志和类索引（当前类索引、父类索引）

　　1、访问标志

　　在常量池结束以后，紧接着两个字节表示访问标志，这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息，例如是否为public、是否为abstract、如果是类的话是否被声明为final等等，具体标志位及含义如下所示

　　2、类索引、父类索引、接口集合

　　类索引和父类索引都是一个u2类型的数据，接口索引集合是一组u2类型的数据集合，class文件中由这三项数据来确定该类型的继承关系。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父类的全限定名。接口索引集合用来描述这个类实现了哪些接口。

六、字段表集合和放发表集合

（一）字段表集合　

　　字段表集合用于描述接口或者类中声明的变量。其包含类变量（static修饰）和实例变量。

　　字段可以包括的修饰符有字段的作用域（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。