类文件结构的故事（一）
好久没有更新这系列的文章了，上次更新还是在去年的4月13号，差不多断了一年；
一方面去年那时候忙于学习SSM，准备出来找实习；
一方面实习找到以后，自己也懒惰了，不再像之前那样想啃书了，想来实在无聊，还是读书好，遂重新拿起周志明老师的《深入理解Java虚拟机》这本书
我们已经习惯了写 Java，习惯了点击运行，然后看到效果，一切都是这么的顺其自然，水到渠成，但是不知道大家有没有想过一件事，我们自己写的Java文件，编译为字节码文件以后是什么样的，jvm又是如何执行它的呢？
虚拟机平台
在学习类文件之前，先了解下它的历史；
在二十好几年前，写代码是要看具体平台的，就在前几年，我大一那时候（现在不知道具体如何了，已经好几年没学C语言了，那时候的我，是多么的喜欢C语言啊，还是课代表呢），写 C, C++ 也是要看具体平台的，有一个经典的题目，c 语言中，int 占几个字节，那时候我还年轻啊，学的书本，可能默认是32位平台，书上写的是 4 个字节，然后这一错就错到了期末考试。。
时间继续回到二十好几年前，大家都想有一个与平台无关的语言出现，Sun 公司适时推出了 JVM ，口号喊得很响：一次编写，到处运行 ；
这个虚拟机有许多版本，跑在 32位，16位，64位，跑在 Linux下面，跑在 Windows 下面，但是这些虚拟机都遵循一个标准：使用的程序格式是 字节码文件（class文件） ；
不同平台，不同位，都有自己的指令集，程序员只需要给我 class 文件即可，虚拟机负责做适配，将class文件，解释成指令；
Sun 在推出 Jvm 之处，就没准备将 Jvm 与 Java 绑定，当时在 Jvm规范 中曾经承诺过，以后 Jvm 在未来会进行适当的扩展，以便支持其他语言，不仅仅局限于 Java，使得其他语言也可以搭上顺风车；这一承诺目前已经基本算实现了；
可能大家跟我一样，很诧异，Jvm 的 J 难道不是 Java 吗，怎么它还可以执行其他语言呢，因为 Jvm 只与 Class字节码绑定在一起，而不是与 Java 进行绑定。
java 能够得到运行，也是因为 javac 的功能，将 Java代码，编译成 Class 文件了，现在市面上，也有一些可以运行在 jvm 上面的语言，比如 JRuby、Groovy 都得益于它们的编译器，将它们最后都编译为 Class 文件了；
说了这么多，总结如下：
JVM绑定的是程序存储格式Class文件JVM与平台无关JVM与语言也无关
并且java 语言本身实现的各种语法、变量、关键字，最后都是转换成 JVM 字节码指令，字节码指令的组合可以千变万化，java 也只是使用了其中的一些，一个子集，其他语言可以以这个字节码指令为基础，实现一些 java 本身由于历史原因无法提供友好支持的特性；
类文件的结构
首先先看一句绕口令：任何一个 Class 文件，都对应着 唯一 一个类或者接口的定义信息（java代码），但是反过来说，任何一个类或者接口的定义信息，并不一定定义在文件里面 ；
书上的这句话是什么意思，说起来有点云里雾里，前半句好理解：任何一个字节码文件，都是从java代码编译来的。然后跳过 但是反过来说 这句话，后半句的意思就也好理解了：类或者接口，可能并不是定义在本地系统中，可能是从服务器远程加载来的类；
不知道，老师这里 但是反过来说 ，反 对应的是谁，可能是对应的 文件，Class文件 必定存在于本地，但是 Class文件 的定义信息，并不是一定也来自于本地 ；
Class 文件是一组以 8 位字节为基础单位的二进制流，各个数据项之间，不添加任何分隔符，具体的可看下图：
当遇到需要占用 8 位字节以上的空间的时候，则按照大端存储（高位在前）的形式 ，申请若干个 8 位字节 ；
Class 文件采用类似于C语言里面的伪结构体来存储数据，该伪结构体里面只有两种数据类型：无符号数和表 ；
无符号数 ： 属于基本数据类型，用 u1,u2,u4,u8 代表 一个、两个、四个、八个字节的无符号数，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编码构成的字符串值 ；
表 ： 是有多个无符号数，或者其他表复合而成的数据结构类型，可以类比于数组；表的名字，默认以 _info 结尾；
整个 Class文件，本质上可以看作是一张表，里面的数据项如下：
| 类型 | 名称（数据项） | 数量 |
|---|---|---|
| u4 | magic（魔数） | 1 |
| u2 | minor_version（小版本） | 1 |
| u2 | major_version （大版本） | 1 |
| u2 | constant_pool_count（常量池中资源数量） | 1 |
| cp_info | constant_pool （常量池） | constant_pool_count-1 |
| u2 | access_flags（访问标记） | 1 |
| u2 | this_class | 1 |
| u2 | super_class | 1 |
| u2 | interfaces_count | 1 |
| u2 | interfaces | interfaces_count |
| u2 | fields_count | 1 |
| field_info | fields | fields_count |
| u2 | methods_count | 1 |
| method_info | methods | methods_count |
| u2 | attributes_count | 1 |
| attribute_info | attributes | attributes_count |
这里强调一下：Class 文件的格式很严格，由于它没有任何分隔符的存在，所以 Class 文件的 数据项 ，无论是顺序，还是数量，都严格按照上表描述的那样，不能随意颠倒、缺省；
下面一一讲解这些数据项的意思；
魔数和类文件的版本
魔数，就是确定一个文件的格式的数字，在麻瓜眼中，文件的格式是有文件的后缀名来确定的：.jpg 就是图片 ，.mp3 就是音乐；
其实在魔法师眼中，这些只是一种浮于表面的存在，真正标识文件的东西，由最初的那位创建这个文件的大魔导师选择自己钟爱的数字来标识，只要这个要被选为魔数的数字，还没有被其他魔法师使用过，或者大规模使用；
比如，.class 在初代魔法师刚发明的时候，选择了自己喜爱的 0xCAFEBABE 作为魔数，表示这是一个 .class 文件，魔数，位于文件十六进制的前几位，Class 是前四位字节表示魔数：
从上图中，可以看到魔数（咖啡宝贝）；
紧跟着魔数的四个字节，代表了Class文件的版本号，第5，6字节是小版本号，第7，8个字节时是大版本号；
图中，小版本号为 0，大版本号是 0x34，也就是十进制的 16*3 + 4 = 52，这个数字代表 Class文件的版本。java 的版本号是从 45 开始的，JDK1.0 就是 45，以后每更新一个大版本号，就增加 1 ，那我们现在的 52，计算下就是 JDK1.8 ，也就是这个 Class 文件是 JDK1.8 编译的；
JDK 只能执行 版本号小于等于它对应的版本号的 Class文件，因此，这个 Class 文件，只能被 JDK1.8 及其以上的版本执行 ；
常量池
紧着着魔数和版本号之后的是常量池入口；
常量池可以看做是 Class文件的资源仓库，是占用了 Class 文件空间最大的数据项之一，从上面的表中可以看到，常量池是第一个出现的表结构；
由于每个 Class文件的常量数目不一样，因此，需要有一个标记来统计常量池中的数量个数，紧跟着大版本号之后的两个字节，就代表常量池中常量的数量，这里是 0x0036 ，也就是 54，说明常量池中有 54 个常量；
有 54 个常量，但是这里有个特殊的地方，可供我们使用的索引是 1 -53 ，也就是第一个常量，下标为 0 的那个常量，是本来就存在的，这是在类文件创建之初就确定的，和我们没有关系，主要用于表示 某些索引不引用常量池中的任何一个数量项，这时候，只需要把这些索引，指向 0 即可 ；
常量池中主要存放两大类常量：字面量，符号引用；
-
字面量，跟
Java中的字面量一个意思，诸如文本字符串、final修饰的常量值； -
符号引用，这个就跟
Java不搭嘎了，跟 编译原理 挂钩； (博主也没学过，真的做软件，还是要找软工的，其他的都应该归为非科班，不要搞什么计算机相关的，当然这是题外话，我们也可以自己学完软工的专业课）；- 类和接口的全限定名
- 字段的名称和描述符号
- 方法的名字和描述符号
保存字面量还可以理解，但是为什么要保存这符号引用些内容呢？因为Java在编译的时候，没有我们学C的时候编译-》链接-》执行中的链接这一步，而是在JVM加载Class文件的时候，动态链接的，这也构成了后期绑定，也使得动态成为可能；
因为没有链接这一步，说白了Class文件中根本就没有保存方法、字段在内存中最终的内存信息，只有在运行时，或者创建类对象的时候，去常量池拿具体的符号引用，解析，然后变为直接引用，指向真实的内存地址；（现在就记住一句话，常量池保存符号引用，是为了后期解析，否则既没有保存真实内存地址，也没有保存符号引用，那还怎么搞。。。)符号引用，在后面要讲的解析过程中，会被转换为直接引用。
常量池中每一个数据项都是表，周志明老师的书是 JDK1.7，共有 14 种表结构数据，博主的 JDK1.8 共有 17 种
(博主也就按照书上的 14 种来讲，毕竟博主自己有编不出来多出的几个。。)：
这些表结构，在表的第一位，都是一个 u1 类型的标记位，代表当前表属于哪一种表结构；并且每种表结构都有自己的数据结构，比如 A 表，有 2 个字段，除了第一个字段，必定是 u1 的标记，代表该表类型，然后还有其他字段，代表各种的意思；关于每种标记对应哪种表，以及每种表中各个数据线的含义，书上给出了关系图，很多，我实在是无法将其写到博客上；
标记位的数字代表哪一种表类型。
作为补偿，以及确保大家能看懂常量池，这里我给推荐一个工具，并且教大家怎么用，用它来快速的查看 Class 文件的结构，而不用我们再去看标记，寻找对应的表，因此书上的关系图，没有，也无所谓啦；
IDEA 插件
该工具是个 IDEA 插件，用于查看类结构：
这里多说一句，可能大家还执着于，我要用眼睛看十六进制的 Class 文件，不要这种，就要看十六进制的文件，那样我才是最牛逼的，其实大可不必，只需要知道，Class 文件是怎么一回事即可，毕竟原始人再怎么厉害，也赶不上我们，道理是这样的吧；
为了打消这种顾虑，这里简单说下，如何用人眼去读 常量池 ，上文说的 常量池入口 ，后面紧跟着的就是常量池内容，每一个常量都是一张表，这些表组成了常量池，对每一张表，先看第一位，确定表的类型，然后根据具体类型，具体数据项读取内容；这些内容，有的是引用，有的是字符串，如果遇到引用，则引用的数值（比如 n），则跳去看常量池中的第 n 张表，继续读；如果是字符串，也就是表 CONSTANT_Utf8_info ，则按照表的规则，读取内容；
说完这些，你也发现，人眼真的不好读取，遇到跳表的时候，鬼知道，那张表在哪里，只能做标记，继续读下一张表，最后串起来；
为此，JDK 提供了工具 javap，直接可视化类文件 ：
当然有了上面我推荐的工具，就不再需要去使用命令行操作了，直接在 IDEA 里面，直接看：
分类查看，更方便！
看下常量池，还支持选择查看：
表已经按照在常量池中的顺序排列好了，具体的值、索引也可以看到：
Java中常量名字的最大占用多少内存
这些表里面， 大部分表都是用来表示引用的，但是那些表示名字的引用最终都会指向CONSTANT_Utf8_info 这张表里面；从名字也可以看出，这张表是保存 UTF8 的信息的，也就是那些表表示引用，引用其他表，最后都要引到这张表，这张表表示具体的信息，常量 （方法名、字段名等等） 的名字；
这张表有个数据项 length，是 u2 类型，它表示常量名字可以占用的字节数，u2 前面也说过了，就是两个字节，两个字节可以表示的最大数字是 0xffff，也就是 65535 ，也就是常量名字最多可以占用 65535 字节，继续换算，1024字节 = 1KB，也就是大约相当于 64KB，也就是，Java 里面变量名字的最大不能超过 64KB ，否则将无法编译，一般谁起名字能起这么多，占用 64KB，超级玛丽游戏，据说当时也才 32KB ；
常量池中一些莫名其妙的常量
利用可视化工具查看常量池，可以看到有许多不是我们在类中定义的常量，比如 <init>，这些自动生成的常量，是给下面要讲的 字段表、方法表、属性表 用的，因为上面那些表，最后都指向几个表示数据的表，比如常量名字，就指向 CONSTANT_Utf8_info ，表示 int 就指向 CONSTANT_Integer_info ，这些表的结构，都明确的有相应的固定的数据类型大小；
而 Class 文件中偏偏又许多东西，根本就不是固定字节可以表示的，比如方法的返回值，可以返回任何类型，千变万化，那么用哪张表来表示呢？答案是，哪张表都不能用来表示，毕竟返回值类型千变万化不固定，而表，只是 无符号字节 的一个组合，也就是只是固定结构的表，于是乎，就用那些自动的生成的常量表示；
（有待继续解释，这里其实没说清楚那些不止所云的东西，是从哪来的，为啥存到常量池里面了）
不知云的常量，其实就是符号引用？
常量池就说到这了，面试扯到 JVM 也有点东西可以跟 HR 过几招了；
