读《深入jvm原理》之class文件
較為深入的學(xué)習(xí)者，可能會(huì)給出跨語(yǔ)言編程的概念和實(shí)現(xiàn)，class文件就是一個(gè)跨語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)的第一步，也是動(dòng)態(tài)修改整理已完成編碼的代碼，去生成新代碼的指令的劃時(shí)代編程的第一步（動(dòng)態(tài)類(lèi)生成技術(shù)）。
動(dòng)態(tài)生成類(lèi)技術(shù)：
class文件中的信息是一項(xiàng)一項(xiàng)排列的， 每項(xiàng)數(shù)據(jù)都有它的固定長(zhǎng)度， 有的占一個(gè)字節(jié)， 有的占兩個(gè)字節(jié)， 還有的占四個(gè)字節(jié)或8個(gè)字節(jié)， 數(shù)據(jù)項(xiàng)的不同長(zhǎng)度分別用u1, u2, u4, u8表示， 分別表示一種數(shù)據(jù)項(xiàng)在class文件中占據(jù)一個(gè)字節(jié)， 兩個(gè)字節(jié)， 4個(gè)字節(jié)和8個(gè)字節(jié)。 可以把u1, u2, u3, u4看做class文件數(shù)據(jù)項(xiàng)的“類(lèi)型” 。
class文件中存在以下數(shù)據(jù)項(xiàng)(該圖表參考自《深入Java虛擬機(jī)》)：
| 類(lèi)型 | 名稱(chēng) | 數(shù)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 | attribute_count | 1 |
| attribute_info | attributes | attributes_count |
下面對(duì)class文件中的每一項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)的解釋。fields（域，字段或者信息組，包含方法和屬性）
class文件中的魔數(shù)和版本號(hào)
（1） magic
在class文件開(kāi)頭的四個(gè)字節(jié)， 存放著class文件的魔數(shù)， 這個(gè)魔數(shù)是class文件的標(biāo)志，他是一個(gè)固定的值： 0XCAFEBABE 。 也就是說(shuō)他是判斷一個(gè)文件是不是class格式的文件的標(biāo)準(zhǔn)， 如果開(kāi)頭四個(gè)字節(jié)不是0XCAFEBABE， 那么就說(shuō)明它不是class文件， 不能被JVM識(shí)別。
（2）minor_version 和 major_version
緊接著魔數(shù)的四個(gè)字節(jié)是class文件的此版本號(hào)和主版本號(hào)。 隨著Java的發(fā)展， class文件的格式也會(huì)做相應(yīng)的變動(dòng)。 版本號(hào)標(biāo)志著class文件在什么時(shí)候， 加入或改變了哪些特性。 舉例來(lái)說(shuō)， 不同版本的javac編譯器編譯的class文件， 版本號(hào)可能不同， 而不同版本的JVM能識(shí)別的class文件的版本號(hào)也可能不同， 一般情況下， 高版本的JVM能識(shí)別低版本的javac編譯器編譯的class文件， 而低版本的JVM不能識(shí)別高版本的javac編譯器編譯的class文件。 如果使用低版本的JVM執(zhí)行高版本的class文件，?JVM會(huì)拋出java.lang.UnsupportedClassVersionError 。具體的版本號(hào)變遷這里不再討論， 需要的讀者自行查閱資料。?
class文件中的常量池概述
在class文件中， 位于版本號(hào)后面的就是常量池相關(guān)的數(shù)據(jù)項(xiàng)。 常量池是class文件中的一項(xiàng)非常重要的數(shù)據(jù)。 常量池中存放了文字字符串， 常量值， 當(dāng)前類(lèi)的類(lèi)名， 字段名， 方法名， 各個(gè)字段和方法的描述符， 對(duì)當(dāng)前類(lèi)的字段和方法的引用信息， 當(dāng)前類(lèi)中對(duì)其他類(lèi)的引用信息等等。?常量池中幾乎包含類(lèi)中的所有信息的描述， class文件中的很多其他部分都是對(duì)常量池中的數(shù)據(jù)項(xiàng)的引用，比如后面要講到的this_class, super_class, field_info, attribute_info等， 另外字節(jié)碼指令中也存在對(duì)常量池的引用， 這個(gè)對(duì)常量池的引用當(dāng)做字節(jié)碼指令的一個(gè)操作數(shù)。 ?此外， 常量池中各個(gè)項(xiàng)也會(huì)相互引用。
class文件中的項(xiàng)constant_pool_count的值為1, 說(shuō)明每個(gè)類(lèi)都只有一個(gè)常量池。 常量池中的數(shù)據(jù)也是一項(xiàng)一項(xiàng)的， 沒(méi)有間隙的依次排放。常量池中各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)通過(guò)索引來(lái)訪問(wèn)， 有點(diǎn)類(lèi)似與數(shù)組， 只不過(guò)常量池中的第一項(xiàng)的索引為1, 而不為0, 如果class文件中的其他地方引用了索引為0的常量池項(xiàng)， 就說(shuō)明它不引用任何常量池項(xiàng)。class文件中的每一種數(shù)據(jù)項(xiàng)都有自己的類(lèi)型， 相同的道理，常量池中的每一種數(shù)據(jù)項(xiàng)也有自己的類(lèi)型。 常量池中的數(shù)據(jù)項(xiàng)的類(lèi)型如下表：
| 常量池中數(shù)據(jù)項(xiàng)類(lèi)型 | 類(lèi)型標(biāo)志 | 類(lèi)型描述 |
| CONSTANT_Utf8 | 1 | UTF-8編碼的Unicode字符串 |
| CONSTANT_Integer | 3 | int類(lèi)型字面值 |
| CONSTANT_Float | 4 | float類(lèi)型字面值 |
| CONSTANT_Long | 5 | long類(lèi)型字面值 |
| CONSTANT_Double | 6 | double類(lèi)型字面值 |
| CONSTANT_Class | 7 | 對(duì)一個(gè)類(lèi)或接口的符號(hào)引用 |
| CONSTANT_String | 8 | String類(lèi)型字面值 |
| CONSTANT_Fieldref | 9 | 對(duì)一個(gè)字段的符號(hào)引用 |
| CONSTANT_Methodref | 10 | 對(duì)一個(gè)類(lèi)中聲明的方法的符號(hào)引用 |
| CONSTANT_InterfaceMethodref | 11 | 對(duì)一個(gè)接口中聲明的方法的符號(hào)引用 |
| CONSTANT_NameAndType | 12 | 對(duì)一個(gè)字段或方法的部分符號(hào)引用 |
每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)叫做一個(gè)XXX_info項(xiàng)， 比如， 一個(gè)常量池中一個(gè)CONSTANT_Utf8類(lèi)型的項(xiàng)， 就是一個(gè)CONSTANT_Utf8_info 。除此之外， 每個(gè)info項(xiàng)中都有一個(gè)標(biāo)志值（tag）， 這個(gè)標(biāo)志值表明了這個(gè)常量池中的info項(xiàng)的類(lèi)型是什么， 從上面的表格中可以看出， 一個(gè)CONSTANT_Utf8_info中的tag值為1， 而一個(gè)CONSTANT_Fieldref_info中的tag值為9 。
Java程序是動(dòng)態(tài)鏈接的， 在動(dòng)態(tài)鏈接的實(shí)現(xiàn)中， 常量池扮演者舉足輕重的角色。 除了存放一些字面量之外， 常量池中還存放著以下幾種符號(hào)引用：
（1） 類(lèi)和接口的全限定名
（2） 字段的名稱(chēng)和描述符
（3） 方法的名稱(chēng)和描述符
在詳細(xì)講解常量池中的各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)之前， 我們有必要先了解一下class文件中的特殊字符串， 因?yàn)樵诔Ａ砍刂?#xff0c; 特殊字符串大量的出現(xiàn)，這些特殊字符串就是上面說(shuō)的全限定名和描述符。 要理解常量池中的各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)， 必須先了解這些特殊字符串。
class文件中的特殊字符串
首先說(shuō)明一下， 所謂的特殊字符串出現(xiàn)在class文件中的常量池中， 所以在上一篇博客中， 只是對(duì)常量池介紹了一個(gè)大概。 本著循序漸進(jìn)和減少跨度的原則， 首先把class文件中的特殊字符串做一個(gè)詳細(xì)的介紹， 然后再回過(guò)頭來(lái)繼續(xù)講解常量池。?
在上文中， 我們提到特殊字符串是常量池中符號(hào)引用的一部分， 至于符號(hào)引用的概念， 會(huì)在以后提到。 現(xiàn)在我們將重點(diǎn)放在特殊字符串上。 特殊字符串包括三種： 類(lèi)的全限定名， 字段和方法的描述符， 特殊方法的方法名。 下面我們就分別介紹這三種特殊字符串。
（1） 類(lèi)的全限定名
在常量池中， 一個(gè)類(lèi)型的名字并不是我們?cè)谠次募锌吹降哪菢?#xff0c; 也不是我們?cè)谠次募惺褂玫陌宇?lèi)名的形式。 源文件中的全限定名和class文件中的全限定名不是相同的概念。 源文件中的全新定名是包名加類(lèi)名， 包名的各個(gè)部分之間，包名和類(lèi)名之間， 使用點(diǎn)號(hào)分割。 如Object類(lèi)， 在源文件中的全限定名是java.lang.Object 。 而class文件中的全限定名是將點(diǎn)號(hào)替換成“/” 。 例如， Object類(lèi)在class文件中的全限定名是 java/lang/Object 。 如果讀者之前沒(méi)有接觸過(guò)class文件格式， 是class文件格式的初學(xué)者， 在這里不必知道全限定名在class文件中是如何使用的， 只需要知道， 源文件中一個(gè)類(lèi)的名字， 在class文件中是用全限定名表述的。?
（2） 描述符
我們知道在一個(gè)類(lèi)中可以有若干字段和方法， 這些字段和方法在源文件中如何表述， 我們?cè)偈煜げ贿^(guò)了。 既然現(xiàn)在我們要學(xué)習(xí)class文件格式， 那么我們就要問(wèn)， 一個(gè)字段或一個(gè)方法在class文件中是如何表述的？ 在本文中， 我們會(huì)討論方法和字段在class文件中的描述。 方法和字段的描述符并不會(huì)把方法和字段的所有信息全都描述出來(lái)， 畢竟描述符只是一個(gè)簡(jiǎn)單的字符串。?
在講解描述符之前， 要先說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題， 那就是所有的類(lèi)型在描述符中都有對(duì)應(yīng)的字符或字符串來(lái)對(duì)應(yīng)。 比如， 每種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型都有一個(gè)大寫(xiě)字母做對(duì)應(yīng)， void也有一個(gè)大寫(xiě)字符做對(duì)應(yīng)。 下表是void和基本數(shù)據(jù)類(lèi)型在描述符中的對(duì)應(yīng)。
| 基本數(shù)據(jù)類(lèi)型和void類(lèi)型 | 類(lèi)型的對(duì)應(yīng)字符 |
| byte | B |
| char | C |
| double | D |
| float | F |
| int | I |
| long | J |
| short | S |
| boolean | Z |
| void | V |
基本上都是以類(lèi)型的首字符變成大寫(xiě)來(lái)對(duì)應(yīng)的， 其中l(wèi)ong和boolean是特例， long類(lèi)型在描述符中的對(duì)應(yīng)字符是J， boolean類(lèi)型在描述符中的對(duì)應(yīng)字符是Z 。?
基本類(lèi)型和void在描述符中都有一個(gè)大寫(xiě)字符和他們對(duì)應(yīng)， 那么引用類(lèi)型（類(lèi)和接口，枚舉）在描述符中是如何對(duì)應(yīng)的呢？ 引用類(lèi)型的對(duì)應(yīng)字符串（注意， 引用類(lèi)型在描述符中使用一個(gè)字符串做對(duì)應(yīng)） ， 這個(gè)字符串的格式是： “L” + 類(lèi)型的全限定名 + “;”
注意，這三個(gè)部分之間沒(méi)有空格， 是緊密排列的。 如Object在描述符中的對(duì)應(yīng)字符串是： Ljava/lang/Object; ?； ArrayList在描述符中的對(duì)應(yīng)字符串是： Ljava/lang/ArrayList; ?； 自定義類(lèi)型com.example.Person在描述符中的對(duì)應(yīng)字符串是： Lcom/example/Person; 。
我們知道， 在Java語(yǔ)言中數(shù)組也是一種類(lèi)型， 一個(gè)數(shù)組的元素類(lèi)型和他的維度決定了他的類(lèi)型。 比如， 在 int[] a 聲明中， 變量a的類(lèi)型是int[] ， 在 int[][] b 聲明中， 變量b的類(lèi)型是int[][] , 在 Object[] c 聲明中， 變量c的類(lèi)型是Object[] 。既然數(shù)組是類(lèi)型， 那么在描述符中， 也應(yīng)該有數(shù)組類(lèi)型的對(duì)應(yīng)字符串。 在class文件的描述符中， 數(shù)組的類(lèi)型中每個(gè)維度都用一個(gè) [ 代表， 數(shù)組類(lèi)型整個(gè)類(lèi)型的對(duì)應(yīng)字符串的格式如下： 若干個(gè)“[” + 數(shù)組中元素類(lèi)型的對(duì)應(yīng)字符串
下面舉例來(lái)說(shuō)名。?int[]類(lèi)型的對(duì)應(yīng)字符串是： [I ；int[][]類(lèi)型的對(duì)應(yīng)字符串是： [[I ；Object[]類(lèi)型的對(duì)應(yīng)字符串是： [Ljava/lang/Objec；Object[][][]類(lèi)型的對(duì)應(yīng)字符串是： [[[Ljava/lang/Object。
介紹完每種類(lèi)型在描述符中的對(duì)應(yīng)字符串， 下面就開(kāi)始講解字段和方法的描述符。?
字段的描述符就是字段的類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的字符或字符串。 如： int i 中， 字段i的描述符就是 I ；Object o中， 字段o的描述符就是 Ljava/lang/Object；double[][] d中， 字段d的描述符就是 [[D 。?
方法的描述符比較復(fù)雜， 包括所有參數(shù)的類(lèi)型列表和方法返回值。 它的格式是這樣的： (參數(shù)1類(lèi)型 參數(shù)2類(lèi)型 參數(shù)3類(lèi)型 ...)返回值類(lèi)型 其中， 不管是參數(shù)的類(lèi)型還是返回值類(lèi)型， 都是使用對(duì)應(yīng)字符和對(duì)應(yīng)字符串來(lái)表示的， 并且參數(shù)列表使用小括號(hào)括起來(lái)， 并且各個(gè)參數(shù)類(lèi)型之間沒(méi)有空格， 參數(shù)列表和返回值類(lèi)型之間也沒(méi)有空格。?
下面舉例說(shuō)明（此表格來(lái)源于《深入Java虛擬機(jī)》）。
| 方法描述符 | 方法聲明 |
| ()I | int getSize() |
| ()Ljava/lang/String; | String toString() |
| ([Ljava/lang/String;)V | void main(String[] args) |
| ()V | void wait() |
| (JI)V | void wait(long timeout, int nanos) |
| (ZILjava/lang/String;II)Z | boolean regionMatches(boolean ignoreCase, int toOffset, String other, int ooffset, int len) |
| ([BII)I | int read(byte[] b, int off, int len ) |
| ()[[Ljava/lang/Object; | Object[][] getObjectArray() |
?
（3） 特殊方法的方法名
首先要明確一下， 這里的特殊方法是指的類(lèi)的構(gòu)造方法和類(lèi)型初始化方法。 構(gòu)造方法就不用多說(shuō)了， 至于類(lèi)型的初始化方法， 對(duì)應(yīng)到源碼中就是靜態(tài)初始化塊。 也就是說(shuō)， 靜態(tài)初始化塊， 在class文件中是以一個(gè)方法表述的， 這個(gè)方法同樣有方法描述符和方法名。?
類(lèi)的構(gòu)造方法的方法名使用字符串 <init> 表示， 而靜態(tài)初始化方法的方法名使用字符串?<clinit> 表示。 除了這兩種特殊的方法外， 其他普通方法的方法名， 和源文件中的方法名相同。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的读《深入jvm原理》之class文件的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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