《java虚拟机规范SE7》整理——第四章：Class文件格式

按照《java虚拟机规范SE7》章节顺序整理的笔记。

ClassFile格式（注：也就是class文件的总结构）
描述符和签名
常量池
字段
方法
属性
Java虚拟机代码约束
Class文件校验

第四章：class文件格式

这一章详细的介绍了class文件的格式，包括class文件的格式，class文件具体的内容。这些内容均可以通过自己编写一个简单的类，并使用javap反编译来对照着阅读。

<1>. ClassFile格式

这表示class文件的总结构，也就是说：满足虚拟机规范的class文件的构成。
值得注意的是：

其中u1，u2，u4分别代表这个项打大小为 1，2，4个字节。
其中的cp_info, field_info, method_info, attribute_info表示这个表中项的结构，同时也说明这个项的大小暂时是不确定的。
结构中一共有五个表：常量池表，接口表，字段表，方法表，属性表
而其中只有常量池表是从1开始索引，而其他表均从0开始索引，所以常量池计数器比实际常量的大小多1。
需要重点提出的是，每个class仅仅是针对当前类，或者他的直接父类，如：
1.字段表仅仅包含当前类或接口声名的字段，并不包含父类或父接口。
2.方法表仅仅包含当前类或接口声明的方法，并不包含父类或父接口。

ClassFile { u4 magic;   //魔数，唯一的作用是标志当前class是否符合虚拟机规范，//唯一的值为：0xCOFEBABE(咖啡宝宝？)u2 minor_version;   //副版本号u2 major_version;   //主版本号//主版本号和副版本号结合起来，作用是表示当前的class是否被某个版本的java虚拟机支持。//各个版本的虚拟机都有自己支持的主副版本号范围。u2 constant_pool_count;   //常量池计数器，值为后面常量池表成员数加1.cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];   //常量池表，//每一项都是cp_info结构，索引从1到constant_pool_count-1。u2 access_flags;   //访问标志，标志类或接口的访问权限及基础属性（值见下表）。u2 this_class;    //类索引，表示当前文件的类或接口，值得注意，类并非一定与文件名相同，如：内部类。u2 super_class;   //直接父类//如果值为0：表示没有父类，而java中没有父类的只有java.lang.Object//如果不是0：表示这个一个类或接口，他的值必须是常量池中的CONSTANT_Class_info的值u2 interfaces_count;   //接口计数器，大小为当前类直接父接口数量。u2 interfaces[interfaces_count];   //接口表//每一项的值都是常量池中的CONSTANT_Class_info类型的值。//索引从0开始。u2 fields_count;   //字段计数器 ，大小为当前类或接口所定义的字段。field_info fields[fields_count];   //字段表//每一项都是field_info结构。索引从0开始。u2 methods_count;  //方法计数器，大小为当前类或接口所定义的方法。method_info methods[methods_count];   //方法表//每一项都是method_info结构。索引从0开始。u2 attributes_count;  //属性计数器，大小为class文件中的属性数量。   attribute_info attributes[attributes_count];   //属性表每一项都是attribute_info结构。索引从0开始。
}

访问标志一览表 (access_flags)：

标记名	值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	可以被包的类外访问
ACC_FINAL	0x0010	不允许有子类
ACC_SUPER	0x0020	当用到invokespecial指令时，需要特殊处理的父类方法
ACC_INTERFACE	0x0200	标识定义的是接口而不是类
ACC_ABSTRACT	0x0400	不能被实例化
ACC_SYNTHETIC	0x1000	标识并非Java源码生成的代码
ACC_ANNOTATION	0x2000	标识注解类型
ACC_ENUM	0x4000	标识枚举类型

<2>. 描述符和签名

描述符：一个描述字段或方法的类型的字符串。
可分为：

字段描述符
方法描述符

a.字段描述符：描述了字段的类型。

描述原始类型

字符	类型	含义
B	byte	有符号字节型数
C	char	Unicode字符，UTF-16编码
D	double	双精度浮点数
F	float	单精度浮点数
I	int	整型数
J	long	长整数
S	short	有符号短整数
Z	boolean	布尔值 true/false
L Classname;	reference	一个名为的实例
[	reference	一个一维数组

描述对象
格式：L+Classname
注：这里的Classname是类的全限定名，如Object类，Ljava.lang.Object
描述数组
格式：[ + ComponentType
例如：[ I , [[java.lang.Object

b. 方法描述符：描述了方法的参数类型，参数大小，和返回类型。
格式：（使用字段描述符描述的0或n个参数）返回类型同样使用字段描述符表示
例如：方法 int method(int a,Object b) 描述为 ( I [java.lang.Object; ) I ;

注意：对于实例方法中的this参数，并不显示的写在方法描述符中，它是在java虚拟机调用方法的时候隐式传递。

签名：是用于描述字段、方法和类型定义中的泛型信息的字符串。
签名是用于给Java语言使用的描述信息编码，不在Java虚拟机系统使用的类型中。

类签名，作用是把Class申明的类型信息编译成对应的签名信息。
字段类型签名，作用是将字段、参数或局部变量的类型编译成对应的签名信息。
方法签名，作用是将方法中所有的形式参数的类型编译成相应的签名信息（或将它们参数化）。

<3>. 常量池

常量池中每一项都是一个cp_info结构，而cp_info的结构如下：

cp_info { u1 tag; u1 info[];   //这个值的大小由tag标志决定。
}

例如CONSTANT_Class_info 表示为：

CONSTANT_Class_info{u1 tag;u2 name_index;
}

tag标签一共有14种，如下表：

常量类型	值
CONSTANT_Class_info	7
CONSTANT_Fieldref_info	9
CONSTANT_Methodref_info	10
CONSTANT_InterfaceMethodref_info	11
CONSTANT_String_info	8
CONSTANT_Integer_info	3
CONSTANT_Float_info	4
CONSTANT_Long_info	5
CONSTANT_Double_info	6
CONSTANT_NameAndType_info	12
CONSTANT_Utf8_info	1
CONSTANT_MethodHandle_info	15
CONSTANT_MethodType_info	16
CONSTANT_InvokeDynamic_info	18

类 ——CONSTANT_Class_info 格式：

CONSTANT_Class_info{u1 tag;  //值为 7u2 name_index;  //name_index项的值，必须是对常量池的一个有效索引。//常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info（§4.4.7）结构，//代表一个有效的类或接口二进制名称的内部形式。
}

字段，方法，接口方法——CONSTANT_Fieldref_info， CONSTANT_Methodref_info和CONSTANT_InterfaceMethodref_info的格式相同：

CONSTANT_Fieldref_info { u1 tag;  //值为 9u2 class_index;  //class_index项的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_Class_info结构，既可以是类也可以是接口。u2 name_and_type_index;  //name_and_type_index项的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_NameAndType_info结构，必须是字段描述符。
}

CONSTANT_Methodref_info { u1 tag;  //值为 10u2 class_index;   //class_index项的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_Class_info结构，且必须是类（不能是接口）。u2 name_and_type_index; //name_and_type_index项的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_NameAndType_info结构，必须是方法描述符
}

CONSTANT_InterfaceMethodref_info { u1 tag;  //值为 11u2 class_index; //class_index项的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_Class_info结构，且必须是接口（不能是类）。u2 name_and_type_index;  //name_and_type_index项的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_NameAndType_info结构，必须是方法描述符
}

*字符串——CONSTANT_String_info 格式：

CONSTANT_String_info {u1 tag;  //值为 8u2 string_index;   //必须是对常量池的有效索引，索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info
}

数值常量——CONSTANT_Integer_info，CONSTANT_Float_info 格式：

CONSTANT_Integer_info { u1 tag; //值为 3 u4 bytes; //int类型常量值
}

CONSTANT_Float_info { u1 tag;  //值为 4u4 bytes;  //float类型常量值
}

float类型的值按照下面方法表示，bytes项的值首先被转换成一个int常量的bits：

如果bits值为0x7f800000，表示float值为正无穷。
如果bits值为0xff800000，表示float值为负无穷。
如果bits值在范围0x7f800001到0x7fffffff或者0xff800001到0xffffffff内，表示float值为NaN。
在其它情况下，设s、e、m，它们值根据bits和如下公式计算：

int s =((bits >> 31) == 0) ? 1 : -1;
int e =((bits >> 23) & 0xff);
int m =(e == 0） ? bits & 0x7fffff) << 1 : (bits & 0x7fffff) | 0x800000;

则float的浮点值为数值表达式s·m·2^(e–150)的计算结果。

数值常量——CONSTANT_Long_info和CONSTANT_Double_info 格式：

在Class文件的常量池中，所有的8字节的常量都占两个表成员（项）的空间。如果一个CONSTANT_Long_info或CONSTANT_Double_info结构的项在常量池中的索引为n，则常量池中下一个有效的项的索引为n+2，此时常量池中索引为n+1的项有效但必须被认为不可用。

CONSTANT_Long_info { u1 tag;   //值为 5u4 high_bytes; u4 low_bytes;
}

CONSTANT_Double_info { u1 tag;   //值为6u4 high_bytes; u4 low_bytes;
}

Long：high_bytes和low_bytes项用于共同表示long型常量，构造形式为
((long) high_bytes << 32) + low_bytes
也就是将高位在前，地位在后

Double：与上一个Float类似，首先被转换成一个long常量的bits：

如果bits值为0x7ff0000000000000L，表示double值为正无穷。
如果bits值为0xfff0000000000000L，表示double值为负无穷。
如果bits值在范围0x7ff0000000000001L到 0x7fffffffffffffffL或者0xfff0000000000001L到 0xffffffffffffffffL内，表示double值为NaN。
在其它情况下，设s、e、m，它们的值根据bits和如下公式计算：

int s =((bits >> 63) == 0) ? 1 : -1;
int e =(int)((bits >> 52) & 0x7ffL);
long m =(e == 0) ? (bits & 0xfffffffffffffL) << 1 : (bits & 0xfffffffffffffL) | 0x10000000000000L;

则double的浮点值为数学表达式s·m·2e – 1075的计算结果。

表示字段或方法——CONSTANT_NameAndType_info 格式：

CONSTANT_NameAndType_info { u1 tag;   //值为 12u2 name_index;  //必须是对常量池的有效索引CONSTANT_Utf8_info，这个结构要么表示特殊的方法名<init>，要么表示一个有效的字段或方法的非限定名。u2 descriptor_index; //索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info，这个结构表示一个有效的字段描述符或方法描述符。
}

表示字符串常量——CONSTANT_Utf8_info 格式：

CONSTANT_Utf8_info { u1 tag;   //值为 1u2 length;   //指明了bytes[]数组的长度u1 bytes[length];  //bytes[]是表示字符串值的byte数组，bytes[]数组中每个成员的byte值都不会是0，也不在0xf0至0xff范围内。
}

方法句柄——CONSTANT_MethodHandle_info 格式：

CONSTANT_MethodHandle_info {u1 tag;  //值为 15u1 reference_kind;   //值必须在1-9之间，根据这个值的不同，将造成下面项的不同。u2 reference_index;
}

reference的取值：

如果reference_kind项的值为1（REF_getField）、2（REF_getStatic）、3（REF_putField）或4（REF_putStatic），那么常量池在reference_index索引处的项必须是CONSTANT_Fieldref_info（§4.4.2）结构，表示由一个字段创建的方法句柄。
如果reference_kind项的值是5（REF_invokeVirtual）、6（REF_invokeStatic）、7（REF_invokeSpecial）或8（REF_newInvokeSpecial），那么常量池在reference_index索引处的项必须是CONSTANT_Methodref_info（§4.4.2）结构，表示由类的方法或构造函数创建的方法句柄。
如果reference_kind项的值是9（REF_invokeInterface），那么常量池在reference_index索引处的项必须是CONSTANT_InterfaceMethodref_info（§4.4.2）结构，表示由接口方法创建的方法句柄。
如果reference_kind项的值是5（REF_invokeVirtual）、6（REF_invokeStatic）、7（REF_invokeSpecial）或9（REF_invokeInterface），那么方法句柄对应的方法不能为实例初始化（）方法或类初始化方法（）。
如果reference_kind项的值是8（REF_newInvokeSpecial），那么方法句柄对应的方法必须为实例初始化（）方法。

表示invokedynamic指令所使用到的引导方法——CONSTANT_InvokeDynamic_info 格式：

CONSTANT_InvokeDynamic_info { u1 tag;   //值为 18u2 bootstrap_method_attr_index; u2 name_and_type_index;
}

<4>. 字段

字段每一项都是一个field_info结构：

field_info { u2 access_flags;   //字段的访问标志，包括访问限制，基础属性u2 name_index;   //必须是对常量池的一个有效索引。常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info结构，表示一个有效的字段的非全限定名。u2 descriptor_index;   //索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info结构，表示一个有效的字段的描述符u2 attributes_count;   //字段的属性计数器attribute_info attributes[attributes_count];  //attributes表的每一个成员的值必须是attribute结构，一个字段可以有任意个关联属性。
}

字段访问标志一览表：

标记名	值	说明
ACC_PUBLIC	0x0001	public，表示字段可以从任何包访问。
ACC_PRIVATE	0x0002	private，表示字段仅能该类自身调用。
ACC_PROTECTED	0x0004	protected，表示字段可以被子类调用。
ACC_STATIC	0x0008	static，表示静态字段。
ACC_FINAL	0x0010	final，表示字段定义后值无法修改（JLS §17.5）。
ACC_VOLATILE	0x0040	volatile，表示字段是易变的。
ACC_TRANSIENT	0x0080	transient，表示字段不会被序列化。
ACC_SYNTHETIC	0x1000	表示字段由编译器自动产生。
ACC_ENUM	0x4000	enum，表示字段为枚举类型。

<5>. 方法

方法的每一项都是一个method_info结构：

method_info { u2 access_flags;  //方法访问标志u2 name_index;  //常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info结构，它要么表示初始化方法的名字（<init>或<clinit>），要么表示一个方法的有效的非全限定名。u2 descriptor_index;   //。常量池在该索引处的项必须是CONSTANT_Utf8_info结构，表示一个有效的方法的描述符 注意：本规范在未来的某个版本中可能会要求当access_flags项的ACC_VARARGS标志被设置时，方法描述符中的最后一个参数必须是数组类型。u2 attributes_count;   //方法属性计数器attribute_info attributes[attributes_count]; //attributes表的每一个成员的值必须是attribute结构，一个方法可以有任意个与之相关的属性。
}

方法访问标志一览表：

标记名	值	说明
ACC_PUBLIC	0x0001	public，方法可以从包外访问
ACC_PRIVATE	0x0002	private，方法只能本类中访问
ACC_PROTECTED	0x0004	protected，方法在自身和子类可以访问
ACC_STATIC	0x0008	static，静态方法
ACC_FINAL	0x0010	final，方法不能被重写（覆盖）
ACC_SYNCHRONIZED	0x0020	synchronized，方法由管程同步
ACC_BRIDGE	0x0040	bridge，方法由编译器产生
ACC_VARARGS	0x0080	表示方法带有变长参数
ACC_NATIVE	0x0100	native，方法引用非java语言的本地方法
ACC_ABSTRACT	0x0400	abstract，方法没有具体实现
ACC_STRICT	0x0800	strictfp，方法使用FP-strict浮点格式
ACC_SYNTHETIC	0x1000	方法在源文件中不出现，由编译器产生

方法属性表的值可以有:

Code
Exceptions
Synthetic
Signature
Deprecated
untimeVisibleAnnotations
RuntimeInvisibleAnnotations
RuntimeVisibleParameterAnnotations
RuntimeInvisibleParameterAnnotations
AnnotationDefault

<6>. 属性

属性的每一项都是attribute_info结构：

attribute_info { u2 attribute_name_index;   //是常量池中的CONSTANT_Utf8_info索引。u4 attribute_length;  u1 info[attribute_length];
}

ConstantValue属性：
位于field_info结构的属性表中，表示一个常量字段的值，在一个field_info结构的属性表中最多只能有一个ConstantValue属性。
格式:

ConstantValue_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 constantvalue_index;
}

Code属性：
位于method_info结构的属性表，一个Code属性只为唯一一个方法、实例类初始化方法或类初始化方法保存Java虚拟机指令及相关辅助信息。
如果方法被声明为native或者abstract类型，那么对应的method_info结构不能有明确的Code属性。
格式：

Code_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 max_stack; u2 max_locals; u4 code_length; u1 code[code_length]; u2 exception_table_length;{ u2 start_pc; u2 end_pc; u2 handler_pc; u2 catch_type; } exception_table[exception_table_length]; u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count];
}

StackMapTable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类型阶段被使用。
格式：

StackMapTable_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 number_of_entries; stack_map_frame entries[number_of_entries];
}

Exceptions属性：
它位于method_info结构的属性表中，指出了一个方法需要检查的可能抛出的异常。
格式:

Exceptions_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 number_of_exceptions; u2 exception_index_table[number_of_exceptions];
}

InnerClasses属性：
位于ClassFile结构的属性表，支持内部类和内部接口而引入。
格式：

InnerClasses_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 number_of_classes;{ u2 inner_class_info_index; u2 outer_class_info_index; u2 inner_name_index; u2 inner_class_access_flags;} classes[number_of_classes];
}

EnclosingMethod属性:
位于ClassFile结构的属性表，且仅当Class为局部类或者匿名类时，才能具有EnclosingMethod属性，一个类中只能有一个。
格式:

EnclosingMethod_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 class_index u2 method_index;
}

Synthetic属性:
位于ClassFile中的属性表，如果一个类成员没有在源文件中出现，则必须标记带有Synthetic属性，或者设置ACC_SYNTHETIC标志。
格式:

Synthetic_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length;
}

Signature属性:
位于ClassFile，field_info或method_info结构的属性表中，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或参数化类型，则Signature属性会为它记录泛型签名信息。
格式：

Signature_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 signature_index;
}

SourceFile属性:
位于ClassFile结构的属性表，一个ClassFile结构中的属性表最多只能包含一个SourceFile属性。
格式:

 SourceFile_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 sourcefile_index; }

SourceDebugExtension 属性:
位于ClassFile（§4.1）结构属性表，最多只能包含一个SourceDebugExtension属性。
格式:

SourceDebugExtension_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u1 debug_extension[attribute_length];
}

LineNumberTable属性:
位于Code结构的属性表，用于确定源文件中行号表示的内容在Java虚拟机的code[]数组中对应的部分。
格式：

LineNumberTable_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 line_number_table_length; { u2 start_pc; u2 line_number; } line_number_table[line_number_table_length];
}

LocalVariableTable属性:
位于Code属性的属性表中，用于确定方法在执行过程中局部变量的信息。
格式：

LocalVariableTable_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 local_variable_table_length; { u2 start_pc; u2 length; u2 name_index; u2 descriptor_index;u2 index; } local_variable_table[local_variable_table_length];
}

LocalVariableTypeTable属性:
位于Code的属性表，用于给调试器确定方法在执行中局部变量的信息。
格式：

LocalVariableTypeTable_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 local_variable_type_table_length;{ u2 start_pc; u2 length; u2 name_index; u2 signature_index; u2 index; }local_variable_type_table[local_variable_type_table_length];
}

Deprecated属性:
位于ClassFile, field_info 或 method_info结构的属性表中，标记了此属性，则说明它将会在后续某个版本中被取代。
格式：

Deprecated_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length;
}

RuntimeVisibleAnnotations属性:
位于ClassFile， field_info或method_info结构的属性表中，用于保存Java语言中的类、字段或方法的运行时的可见注解。
格式:

RuntimeVisibleAnnotations_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 num_annotations; annotation annotations[num_annotations];
}

RuntimeInvisibleAnnotations 属性:
位于ClassFile, field_info或method_info结构的属性表中，用于保存Java语言中的类、字段或方法的运行时的非可见注解。
格式：

RuntimeInvisibleAnnotations_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 num_annotations; annotation annotations[num_annotations];
}

RuntimeVisibleParameterAnnotations属性:
位于method_info结构的属性表中，用于保存对应方法的参数的所有运行时可见Java语言注解
格式：

RuntimeVisibleParameterAnnotations_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u1 num_parameters; { u2 num_annotations; annotation annotations[num_annotations]; } parameter_annotations[num_parameters];
}

RuntimeInvisibleParameterAnnotations属性:
位于method_info结构的属性表中，用于保存对应方法的参数的所有运行时非可见的Java语言注解。
格式:

RuntimeInvisibleParameterAnnotations_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u1 num_parameters; { u2 num_annotations; annotation annotations[num_annotations]; } parameter_annotations[num_parameters];
}

AnnotationDefault属性:
位于某些特殊的method_info结构的属性表中，这些结构表示注解类型的元素，用于保存method_info结构表示的元素的默认值。
格式：

AnnotationDefault_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; element_value default_value;
}

BootstrapMethods属性:
位于ClassFile结构的属性表中，用于保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符。
格式:

BootstrapMethods_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 num_bootstrap_methods; {  u2 bootstrap_method_ref; u2 num_bootstrap_arguments; u2 bootstrap_arguments[num_bootstrap_arguments]; } bootstrap_methods[num_bootstrap_methods];
}

<7>. Java虚拟机代码约束

这里使用了很多对java虚拟机的约束，由于内容过多，且对只是为了解一些java虚拟机情况的我来说并不需要深入理解，便不摘录了。

至此，对于javac编译的class文件也有了深入的理解，对java虚拟机内部结构也有了认识。后面的内容主要就是：Java虚拟机如何加载class文件。