Class 类文件的结构

由java源码编译后的class文件包含了Java虚拟机指令和符号表以及若干其他辅助信息。class文件是一组以8位比特（1字节）为单位的二进制流，按照大端顺序存储，严格按照顺序依次排列下去。

class文件采用类似c语言结构体的伪结构存储数据，这种结构只有两种数据类型，无符号数和表。

无符号数是基本数据类型，可以表示整型、浮点型和字符串字面值等。用u1,u2,u4,u8分别表示1个字节，2个字节，4个字节和8个字节的无符号数。

表是由多个无符号数和其他表组合成的复合类型。表类型一般以_info结尾。

整个class文件结构如下表格¹：

类型	名称	数量
u4	magic	1
u2	minor_version	1
u2	major_version	1
u2	constant_pool_count	1
cp_info	constant_pool	constant_pool_count-1
u2	access_flags	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

class文件开始处四个字节表示magic，紧接着两个字节表示minor_version和两个字节表示major_version，紧接着两个字节表示常量池数目，紧接着是常量池数目-1个不同结构的常量表，依次类推。

写一个简单的程序，编译后分析字节码。

源码：

package com.hnzhrh;public class Simple{private int sum = 0;public int add(int a,int b){sum = a + b;return sum;}
}

得到的class文件以十六进制查看：

幻数和Class文件版本

class文件格式表格第一行，u4类型的magic一个。

0x0000+0~0x0000+3：CA FE BA BE

该值表示该文件是能被JVM接收的class文件。使用幻数区分文件类型而不使用文件后缀名，文件后缀名是可以任意更改的（把jpg改成txt照常还能用画图打开，使用幻数区分）。

class文件格式表格第二行，u2类型的minor_version一个。

0x0000+4~0x0000+5：00 00

表示次版本号为0。

class文件格式表格第三行，u2类型的major_version一个。

0x0000+6~0x0000+7：00 34

表示主版本号为52。

常量池

常量池主要存放两大类常量：字面量和符号引用。

符号引用包括了下面三种常量：

• 类和接口的全限定名
• 字段的名称
• 字段的描述符
• 方法的名称
• 方法的描述符

class文件格式表格第四行，u2类型的constant_pool_count一个。

0x0000+8~0x0000+9：00 13

表示常量池中常量计数，数值为19。但常量项有18个，该计数是从1开始的 。空出来的第0项用来满足特定情况下不引用常量池项目的情况，可以指向常量池0项。

紧接着常量计数之后，就是18个常量项，每个常量项都有自己独立的表结构，表结构的开头tag标志表明了常量类型，如下表²所示：

0x0000+10：0A

查看表可知，tag标志为10(0x0A)的常量类型是CONSTANT_Methodref_info，该类型大小为5字节，所以有：

0x0000+10~0x0000+14 为一个CONSTANT_Methodref_info类型常量，也是一个表结构。

通过表查看CONSTANT_Methodref_info类型的结构，该结构是由u1类型的tag，u2类型的index（指向声明方法的类描述符CONSTANT_Class_info的索引项）和u2类型的index(指向名称及类型描述符CONSTANT_NameAndType的索引项)组成的。

将0x0000+10~0x0000+14划分成三部分内容：

0x0000+10：0A u1类型的tag，值为10。

0x0000+11~0x0000+12：00 04 u2类型的index，值为4。

0x0000+13~0x0000+14：00 0F u2类型的index，值为15。

为了直观，建立一个表格，#+数字表示常量池项的索引，后面单元格存放常量项结构的内容。如下所示：

常量池标号（index）
#0
#1	10	#4	#15

其余常量项跟上述类似，最后得到的完整的常量池的直观表格：

可读这一列的分析以#1的常量项为例：

至此，常量池的内容结束（0x0000+8~0x0160+5)。

访问标志

class文件格式表格第6行，u2类型的access_flags一个。

0x0160+6~0x0160+7：00 21

访问标志用来表示这个class是类还是接口，是否定义为public，是否定义为abstract等。具有多个属性则将多个标志值或运算得到的结果作为访问标志。

访问标志表³：

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	是否为public
ACC_FINAL	0x0010	是否为final，只有类可设置
ACC_SUPER	0x0020	JDK 1.0.2之后编译出来的类的这个标志为真
ACC_INTERFACE	0x0200	标识是接口
ACC_ABSTRACT	0x0400	是否为abstract，接口和抽象类为真
ACC_SYNTHETIC	0x1000	标识这个类并非由用户代码产生
ACC_ANNOTATION	0x2000	标识这是一个注解
ACC_ENUM	0x4000	标识这是一个枚举

该class访问标志为0x 0021，表示是一个public类。

类索引

class文件格式表第7行，u2类型的this_class一个。

0x0160+8~0x0160+9：00 03

类索引为0x0003，即指向常量池#3，是一个Class_info类型的常量，表示类或接口的符号引用，该常量的index指向#17，即com/hnzhrh/Simple。

类索引用来确定该类的全限定名。

父类索引

class文件格式表第8行，u2类型的super_class一个。

0x0160+10~0x0160+11：00 04

父类索引为Ox0004，即指向常量池#4，同上分析，得到java/lang/Object。

父类索引用来确定这个类的父类的全限定名。

接口索引集合

class文件格式第9行，u2类型的interface_count一个。

0x0160+12~0x0160+13：00 00

表示接口计数器，该值为0，则该类没有实现接口。所以class文件格式第10行的interfaces也没有。

类索引，父类索引和接口索引集合三者可以表明该类或接口的继承关系。

字段表集合

class文件格式第11行，u2类型的fields_count一个。

0x0160+14~0x0160+15：00 01

表示有1个字段表。

字段表不像常量项那样各有各的结构，字段表的结构是统一的，如下表⁴所示：

类型	名称	数量
u2	access_flags	1
u2	name_index	1
u2	descriptor_index	1
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

类似上述分析方法，得到如下可读表格：

类型	名称	数量	值	可读
u2	access_flags	1	0x00 02	private
u2	name_index	1	0x00 05	sum
u2	descriptor_index	1	0x00 06	I
u2	attributes_count	1	0x00 00
attribute_info	attributes	attributes_count

字段类型用于描述接口或者类中声明的变量。

访问标识符

access_flags可以表明字段所具有的特性，access_flags由下表⁵所示：

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	是否为public
ACC_PRIVATE	0x0002	是否为private
ACC_PROTECTED	0x0004	是否为protected
ACC_STATIC	0x0008	是否为static
ACC_FINAL	0x0010	是否为final
ACC_VOLATILE	0x0040	是否为volatile
ACC_TRANSIENT	0x0080	是否为transient
ACC_SYNTHETIC	0x1000	是否由编译器自动生成
ACC_ENUM	0x4000	是否为enum

简单名和描述符

name_index和descriptor_index两者都为常量池的索引。

name_index为字段的简单名索引（即不带有包名的名称）。

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、类型和顺序）和返回值。

基本数据类型和表示无返回值的void的描述符都用一个大写字母来表示，对象类型则用L加对象的全限定名表示，如下表⁶：

描述符	含义
B	byte
C	char
D	double
F	float
I	int
J	long
S	short
Z	boolean
V	void
L	对象类型

对于数组类型，使用一个前置的"["来描述，比如定义一个java.lang.String[][]类型的二维数组，将被记录为[Ljava/lang/String;。

字段表集合中不会列出从超类或父接口中继承而来的字段，但有可能列出原本Java代码中不存在的字段，比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。

方法表集合

class文件格式第13行，u2类型的methods_count一个。

0x0176+8~0x0176+9：00 02

表示有两个方法表。

方法表结构与字段表结构一致，如下表⁷：

类型	名称	数量
u2	access_flags	1
u2	name_index	1
u2	descriptor_index	1
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

方法访问标志与字段访问标志略有不同，如下表⁸:

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	是否为public
ACC_PRIVATE	0x0002	是否为private
ACC_PROTECTED	0x0004	是否为protected
ACC_STATIC	0x0008	是否为static
ACC_FINAL	0x0010	是否为final
ACC_SYNCHRONIZED	0x0020	是否为synchronized
ACC_BRIDGE	0x0040	是否为编译器产生的桥接方法
ACC_VARARGS	0x0080	是否接受不定参数
ACC_NATIVE	0x0100	是否为native
ACC_ABSTRACT	0x0400	是否为abstract
ACC_STRICTFP	0x0800	是否为strictfp
ACC_SYNTHETIC	0x1000	是否由编译器自动生成

如果父类方法没有被重写，方发表中不会出现来自父类的方法，也有可能出现编译器自动添加的方法，如类构造器<clinit>和实列构造器<init>方法。

开始分析方法表集合：

0x0176+10~0x0176+11：00 01

该方法是public。

0x0176+12~0x0176+13：00 07

简单名索引为7，即<init>。

0x0176+14~0x0176+5：00 08

描述符索引为8，即V()。

0x0192+0~0x0192+1：00 01

属性个数为1。

接下来就是一个属性表。

属性表

在class文件、字段表和方法表都可以携带属性表集合，用于描述某些场景专有的信息。

属性表开头都是u2类型的属性名称索引和u4类型的属性长度，紧接着就是不同属性的结构了。

属性表中可能包含其他属性表。

紧接着上述分析：

0x0192+2~0x0192+3：00 09

属性名称索引为9，即Code属性。

0x0192+4~0x0192+7：00 00 00 26

该属性的长度为38字节。

Code属性表⁹结构:

类型	名称	数量
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1
u2	max_stack	1
u2	max_locals	1
u4	code_length	1
u1	code	code_length
u2	exception_table_length	1
exception_info	exception_table	exception_table_length
u2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

同上分析，可以得到：
max_stack:2,max_locals:1

max_stack代表了操作数栈深度的最大值，虚拟机运行时根据这个值来分配栈帧中操作数栈大小。

max_locals代表了局部变量表所需的存储空间，在这里是隐式传递给方法的this参数。

code_length:10

表示字节码长度。

code：10字节长的字节码指令，2A B7 00 01 2A 03 B5 00 02 B1

exception_table_length:0

attributes_count:1

表示Code属性中还有1个属性。

紧接着就是这个属性的名称索引和长度，名称索引：10，即LineNumberTable，长度：10。

LineNumberTable属性用于描述Java源行号和字节码偏移量之间的对应关系。

LineNumberTable属性表¹⁰结构：

类型	名称	数量
u2	attribute_name_index	1
u4	attribute_length	1
u2	line_number_table_length	1
line_number_info	line_number_table	line_number_table_length

line_number_info表包含了两个u2类型的数据项，第一个表示字节码行号，第二个表示Java源码行号。

line_number_table_length : 2

line_number_infor: 0 ： 3 和 4 : 4。

至此，<init>方法结束。

开始分析下一个方法，分析方法类似，分析结果如下表：

类型	名称	值	说明
u2	access_flags	0x00 01	public
u2	name_index	0x00 0B	add
u2	descriptor_index	0x00 0C	(II)I
u2	attributes_count	0x00 01	1个属性
u2	attribute_name_index	0x00 09	Code
u4	attribute_length	0x00 00 00 28	属性长度40字节
u2	max_stack	0x00 03
u2	max_locals	0x00 03
u4	code_length	0x00 00 00 0C	字节码长度12字节
u1	code	2A 1B 1C 60 B5 00 02 2A B4 00 02 AC	字节码
u2	exception_table_length	0x00 00
exception_info	exception_table	无
u2	attributes_count	0x00 01	Code属性的属性
u2	attribute_name_index	0x00 0A	LineNumberTable
u4	attribute_length	0x00 00 00 0A	属性长度10字节
u2	line_number_table_length	0x00 02	有两个line_number_info
u2	start_pc	0x00 00	字节码偏移量
u2	line_number	0x00 06	源码行号
u2	start_pc	0x00 07
u2	line_number	0x00 07

class文件属性表

在class文件、字段表和方法表都可以携带属性表集合，用于描述某些场景专有的信息。

属性表开头都是u2类型的属性名称索引和u4类型的属性长度，紧接着就是不同属性的结构了。

属性表中可能包含其他属性表。

class文件格式表格第15行，u2类型的attributes_count一个。

0x0288+4~0x0288+5：00 01

表示class文件有1个属性表。

分析方法类似，结果如下：

类型	名称	值	说明
u2	attribute_name_index	0x00 0D	SourceFile
u4	attribute_length	0x00 00 00 02	属性长度2字节
u2	sourcefile_index	0x00 0E	Simple.java

脚注

参考资料

深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践 周志明著 第二版

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1. 表格内容来源于《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》第2版 周志明著 第六章表6-1↩

2. 表格内容来源于于《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》第2版 周志明著 第六章表6-3和表6-6↩

3. 表格内容来源于于《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》第2版 周志明著 第六章表6-7↩

4. 表格内容来源于于《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》第2版 周志明著 第六章表6-8↩

5. 表格内容来源于于《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》第2版 周志明著 第六章表6-9↩

6. 表格内容来源于于《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》第2版 周志明著 第六章表6-10↩

7. 表格内容来源于于《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》第2版 周志明著 第六章表6-11↩

8. 表格内容来源于于《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》第2版 周志明著 第六章表6-12↩

9. 表格内容来源于于《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》第2版 周志明著 第六章表6-15↩

10. 表格内容来源于于《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》第2版 周志明著 第六章表6-18↩