JVM之Class文件
单纯的看 JVM 规范有点无聊了，看的云里雾里的，所谓“不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之，学至于行而止矣，行之，明也”。本文从一个简单的Java程序一步一步探讨Class文件的结构。先从简单的 Hello World 开始，使用 javac 和 javap命令进行编译和反编译，由于反编译输出的信息太多，将分成片段来进行描述，如下：
其中 javac –g 表示生成所有的调试信息，javap –p –v 表示显示全部的详细信息。每个Class文件都是以 8-bit 为单位的字节流，多字节数据以 big-endian 大端排列(比如1314这个数，以 4字节存储，那么，大端表示为 0x00000522，小端表示为0x22050000)。为了标识class文件的正确性，每个class都有一个magic魔数(0xCAFEBABE)，和两个主从版本号字段，如上图。JVM在加载链接时，会进行校验。使用高版本编译的文件，不能再低版本使用，反之可以。下面查看下class文件的十六进制表示：
从图中可以看出，前4个字节为magic=0xcafebabe，2字节的minor=0x0000，2字节的major=0x0034=3*16+4=52，在往后的 2 个字节 0x0022 表示常量池的大小为34，根据JVM规范里的Class文件格式，根据相应的偏移量，就可以解析你需要的信息。这里的字节序是网络序，比较符合我们的直觉。ClassFile 结构如下：
常量池
JVM 执行时，不依赖类，实例或接口在内存是怎么布局的，而是依赖运行时常量池，基于栈来执行指令。常量池中包含字面量和符号引用，字面量就是字符串常量和数值常量；符号引用就是用来描述类或接口、字段名和其描述符、方法名和其描述符。根据 ClassFile 的结构，可以看到 2 字节表示常量池大小，后面 cp_info 是具体内容，cp_info不同类型的大小不同，常量池中的类型如下： 类型 标志 大小 结构 描述
CONSTANT_Utf8_info 0x01 3+len
Utf8 常量字符串，比如方法名，字段名等都需要引用此类型，以下简称 utf8 CONSTANT_String_info 0x08 3
字符串类型字面量，string_index引用 utf8 表示内容 CONSTANT_Class 0x07 3
类或接口的符号引用 CONSTANT_NameAndType 0x0c 5
字段或方法的符号引用，但没有指明是哪个类或接口的方法 CONSTANT_Fieldref 0x09 5
字段的符号引用，表明所属类，和字段名 CONSTANT_Methodref 0x0a 5
方法的符号引用，表明所属类，和方法名 CONSTANT_InterfaceMethodref 0x0b 5
接口中方法的符号引用，表明所属接口，和方法名 CONSTANT_Integer 0x03 5
整型字面量 CONSTANT_Float 0x04 5
浮点型字面量 CONSTANT_Long 0x05 6
长整型字面量 CONSTANT_Double 0x06 6
双精度浮点型字面量 CONSTANT_MethodHandle 0x0f 4
表示方法句柄 CONSTANT_MethodType 0x10 3
表示方法类型 CONSTANT_InvokeDynamic 0x12 5
动态调用
知道了常量池中类型的大小，就可以进行解析了，如下图，是部分常量池的十六进制表示：
其中，连续的，颜色相同的框表示一个类型的信息，比如【0a 00 06 00 14】标识为10，查询上表，可知此字段大小为5，JVM 会对常量池中解析的类型从 1 进行编号，这个字段内容就为，#1 = Methodref #6.#20 后面引用所属类和方法描述。其他字段也是如此，如果需要引用到常量池中的其他内容解析出编号即可。再看一个常量字符串的序列【01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e】01表明是utf8字符串，00 06 表示长度为6，后面6位转为字符串就是，这是类实例化时调用的方法。感兴趣可以写个代码解析一下，下面看一下，javap反编译的结果：
这个图结合下表看懂应该问题不大，这里就不详细解释了。类，字段和方法描述符： 类和接口名，使用全限定名称 把 点. 换成 /，比如 java.lang.Object 全限定名：java/lang/Object
方法，字段，局部变量名，使用非全限定名称 当前类的相对名称
描述符
字段描述符，描述什么类型
B，C，D，F，I，[ 分别对应 byte，char，double，float，int，数组类型
J，S，Z，V，L class_name 分别对应 long，short，boolean，void，class_name对象类型
方法描述符，描述参数和返回值类型 ( {ParameterDescriptor} ) ReturnDescriptor
()V Object m(int i, double d, Thread t) {...}
无参返回值为空 (IDLjava/lang/Thread;)Ljava/lang/Object;
当前类，父类和接口
根据ClassFIle的结构，接下来是 2 字节的 access_flags，【access_flags】表示类或接口的访问权限，具体的标志位如下表： 标志名称 标志值 含义
ACC_PUBLIC 0x0001 声明为 public
ACC_FINAL 0x0010 声明为 final，不能被继承
ACC_SUPER 0x0020 表明使用 invokespecial 调用父类方法
ACC_INTERFACE 0x0200 声明为 接口
ACC_ABSTRACT 0x0400 声明为抽象类，不能实例化
ACC_SYNTHETIC 0x1000 动态生成的代码，不是用户由编写的
ACC_ANNOTATION 0x2000 声明 注解
ACC_ENUM 0x4000 声明 枚举
access_flags使用 2 个字节表示，由上图可知为 0x0021，转换成二进制 【0000 0000 0020 0001】，查上表可得此类为 ACC_PUBLIC，ACC_SUPER。
接下来就是当前类索引，父类索引和接口索引描述，其中当前类和父类描述都是通过 2 个字节，2 字节的 this_class，2 字节的 super_class。这里this_calss是 #5 表示引用常量池中第5个常量，从常量池中可以看到就是当前的Demo类；super_class是 #6 ，查常量池可知，#6代表java.lang.Object对象，这说明了，Object是Java中所有类的直接或间接父类。如果类实现了接口，接口的信息会在接下来的字节表示出来，这里没有实现接口，字节全为 0 ，如果实现接口的话，首先 2 个字节表示接口的个数，接下来就是具体内容，会按照源代码中实现的顺序排列。
方法，字段以及属性描述
接下来就是描述此类的字段和方法信息，主要有字段的访问类型，数据类型等，方法的参数，返回值，字节码等。首先看一下每个字段表示的格式：
之前介绍了类的访问控制符，现在来看看字段的访问控制符： 标志名称 标志值 含义
ACC_PUBLIC 0x0001 声明为 public
ACC_PRIVATE 0x0002 声明为 private
ACC_PROTECTED 0x0004 表明为 protected
ACC_STATIC 0x0008 声明为 static
ACC_FINAL 0x0010 声明为 final
ACC_VOLATILE 0x0040 声明为 volatitle
ACC_TRANSIENT 0x0080 声明为 transient 不序列化
ACC_SYNTHETIC 0x1000 表示有编译器生成
ACC_ENUM 0x4000 声明为 enum
其中 2 字节name_inedx和 2 字节descriptor_index都是对常量池中的字符串的引用。字段的附加属性。
