文章目錄

• 簡介
• 一個(gè)簡單的class
• ClassFile的二進(jìn)制文件
• class文件的密碼本
• • magic
  • version
  • 常量池
  • 描述符
  • access_flags
  • this_class和super_class
  • interfaces_count和interfaces[]
  • fields_count和fields[]
• methods_count和methods[]
• attributes_count和attributes[]
• 總結(jié)

簡介

一切的一切都是從javac開始的。從那一刻開始，java文件就從我們?nèi)庋劭煞直娴奈谋疚募?#xff0c;變成了冷冰冰的二進(jìn)制文件。

變成了二進(jìn)制文件是不是意味著我們無法再深入的去了解java class文件了呢？答案是否定的。

機(jī)器可以讀，人為什么不能讀？只要我們掌握java class文件的密碼表，我們可以把二進(jìn)制轉(zhuǎn)成十六進(jìn)制，將十六進(jìn)制和我們的密碼表進(jìn)行對比，就可以輕松的解密了。

下面，讓我們開始這個(gè)激動(dòng)人心的過程吧。

一個(gè)簡單的class

為了深入理解java class的含義，我們首先需要定義一個(gè)class類：

public class JavaClassUsage {private int age=18;public void inc(int number){this.age=this.age+ number;} }

很簡單的類，我想不會有比它更簡單的類了。

在上面的類中，我們定義了一個(gè)age字段和一個(gè)inc的方法。

接下來我們使用javac來進(jìn)行編譯。

IDEA有沒有？直接打開編譯后的class文件，你會看到什么？

沒錯(cuò)，是反編譯過來的java代碼。但是這次我們需要深入了解的是class文件，于是我們可以選擇 view->Show Bytecode：

當(dāng)然，還是少不了最質(zhì)樸的javap命令：

javap -verbose JavaClassUsage

對比會發(fā)現(xiàn)，其實(shí)javap展示的更清晰一些，我們暫時(shí)選用javap的結(jié)果。

編譯的class文件有點(diǎn)長，我一度有點(diǎn)不想都列出來，但是又一想只有對才能講述得更清楚，還是貼在下面：

public class com.flydean.JavaClassUsageminor version: 0major version: 58flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER Constant pool:#1 = Methodref #2.#3 // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Class #4 // java/lang/Object#3 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V#4 = Utf8 java/lang/Object#5 = Utf8 <init>#6 = Utf8 ()V#7 = Fieldref #8.#9 // com/flydean/JavaClassUsage.age:I#8 = Class #10 // com/flydean/JavaClassUsage#9 = NameAndType #11:#12 // age:I#10 = Utf8 com/flydean/JavaClassUsage#11 = Utf8 age#12 = Utf8 I#13 = Utf8 Code#14 = Utf8 LineNumberTable#15 = Utf8 LocalVariableTable#16 = Utf8 this#17 = Utf8 Lcom/flydean/JavaClassUsage;#18 = Utf8 inc#19 = Utf8 (I)V#20 = Utf8 number#21 = Utf8 SourceFile#22 = Utf8 JavaClassUsage.java {public com.flydean.JavaClassUsage();descriptor: ()Vflags: ACC_PUBLICCode:stack=2, locals=1, args_size=10: aload_01: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V4: aload_05: bipush 187: putfield #7 // Field age:I10: returnLineNumberTable:line 7: 0line 9: 4LocalVariableTable:Start Length Slot Name Signature0 11 0 this Lcom/flydean/JavaClassUsage;public void inc(int);descriptor: (I)Vflags: ACC_PUBLICCode:stack=3, locals=2, args_size=20: aload_01: aload_02: getfield #7 // Field age:I5: iload_16: iadd7: putfield #7 // Field age:I10: returnLineNumberTable:line 12: 0line 13: 10LocalVariableTable:Start Length Slot Name Signature0 11 0 this Lcom/flydean/JavaClassUsage;0 11 1 number I } SourceFile: "JavaClassUsage.java"

ClassFile的二進(jìn)制文件

慢著，上面javap的結(jié)果好像并不是二進(jìn)制文件！

對的，javap是對二進(jìn)制文件進(jìn)行了解析，方便程序員閱讀。如果你真的想直面最最底層的機(jī)器代碼，就直接用支持16進(jìn)制的文本編譯器把編譯好的class文件打開吧。

你準(zhǔn)備好了嗎？

來吧，展示吧！

上圖左邊是16進(jìn)制的class文件代碼，右邊是對16進(jìn)制文件的適當(dāng)解析。大家可以隱約的看到一點(diǎn)點(diǎn)熟悉的內(nèi)容。

是的，沒錯(cuò)，你會讀機(jī)器語言了！

class文件的密碼本

如果你要了解class文件的結(jié)構(gòu)，你需要這個(gè)密碼本。

如果你想解析class文件，你需要這個(gè)密碼本。

學(xué)好這個(gè)密碼本，走遍天下都…沒啥用！

下面就是密碼本，也就是classFile的結(jié)構(gòu)。

ClassFile {u4 magic;u2 minor_version;u2 major_version;u2 constant_pool_count;cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];u2 access_flags;u2 this_class;u2 super_class;u2 interfaces_count;u2 interfaces[interfaces_count];u2 fields_count;field_info fields[fields_count];u2 methods_count;method_info methods[methods_count];u2 attributes_count;attribute_info attributes[attributes_count]; }

其中u2，u4表示的是無符號的兩個(gè)字節(jié)，無符號的4個(gè)字節(jié)。

java class文件就是按照上面的格式排列下來的，按照這個(gè)格式，我們可以自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)反編譯器（大家有興趣的話，可以自行研究）。

我們對比著上面的二進(jìn)制文件一個(gè)一個(gè)的來理解。

magic

首先，class文件的前4個(gè)字節(jié)叫做magic word。

看一下十六進(jìn)制的第一行的前4個(gè)字節(jié)：

CA FE BA BE 00 00 00 3A 00 17 0A 00 02 00 03 07

0xCAFEBABE就是magic word。所有的java class文件都是以這4個(gè)字節(jié)開頭的。

來一杯咖啡吧，baby！

多么有詩意的畫面。

version

這兩個(gè)version要連著講，一個(gè)是主版本號，一個(gè)是次版本號。

00 00 00 3A

對比一下上面的表格，我們的主版本號是3A=58，也就是我們使用的是JDK14版本。

常量池

接下來是常量池。

首先是兩個(gè)字節(jié)的constant_pool_count。對比一下，constant_pool_count的值是：

00 17

換算成十進(jìn)制就是23。也就是說常量池的大小是23-1=22。

這里有兩點(diǎn)要注意，第一點(diǎn)，常量池?cái)?shù)組的index是從1開始到constant_pool_count-1結(jié)束。

第二點(diǎn)，常量池?cái)?shù)組的第0位是作為一個(gè)保留位，表示“不引用任何常量池項(xiàng)目”，為某些特殊的情況下使用。

接下來是不定長度的cp_info：constant_pool[constant_pool_count-1]常量池?cái)?shù)組。

常量池?cái)?shù)組中存了些什么東西呢？

字符串常量，類和接口名字，字段名，和其他一些在class中引用的常量。

具體的constant_pool中存儲的常量類型有下面幾種：

每個(gè)常量都是以一個(gè)tag開頭的。用來告訴JVM，這個(gè)到底是一個(gè)什么常量。

好了，我們對比著來看一下。在constant_pool_count之后，我們再取一部分16進(jìn)制數(shù)據(jù)：

上面我們講到了17是常量池的個(gè)數(shù)，接下來就是常量數(shù)組。

0A 00 02 00 03

首先第一個(gè)字節(jié)是常量的tag， 0A=10，對比一下上面的表格，10表示的是CONSTANT_Methodref方法引用。

CONSTANT_Methodref又是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，我們再看一下方法引用的定義：

CONSTANT_Methodref_info {u1 tag;u2 class_index;u2 name_and_type_index; }

從上面的定義我們可以看出，CONSTANT_Methodref是由三部分組成的，第一部分是一個(gè)字節(jié)的tag，也就是上面的0A。

第二部分是2個(gè)字節(jié)的class_index，表示的是類在常量池中的index。

第三部分是2個(gè)字節(jié)的name_and_type_index，表示的是方法的名字和類型在常量池中的index。

先看class_index，0002=2。

常量池的第一個(gè)元素我們已經(jīng)找到了就是CONSTANT_Methodref，第二個(gè)元素就是跟在CONSTANT_Methodref后面的部分，我們看下是什么：

07 00 04

一樣的解析步驟，07=7，查表，表示的是CONSTANT_Class。

我們再看下CONSTANT_Class的定義：

CONSTANT_Class_info {u1 tag;u2 name_index; }

可以看到CONSTANT_Class占用3個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)是tag，后面兩個(gè)字節(jié)是name在常量池中的索引。

00 04 = 4， 表示name在常量池中的索引是4。

然后我們就這樣一路找下去，就得到了所有常量池中常量的信息。

這樣找起來，眼睛都花了，有沒有什么簡單的辦法呢？

當(dāng)然有，就是上面的javap -version， 我們再回顧一下輸出結(jié)果中的常量池部分：

Constant pool:#1 = Methodref #2.#3 // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Class #4 // java/lang/Object#3 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V#4 = Utf8 java/lang/Object#5 = Utf8 <init>#6 = Utf8 ()V#7 = Fieldref #8.#9 // com/flydean/JavaClassUsage.age:I#8 = Class #10 // com/flydean/JavaClassUsage#9 = NameAndType #11:#12 // age:I#10 = Utf8 com/flydean/JavaClassUsage#11 = Utf8 age#12 = Utf8 I#13 = Utf8 Code#14 = Utf8 LineNumberTable#15 = Utf8 LocalVariableTable#16 = Utf8 this#17 = Utf8 Lcom/flydean/JavaClassUsage;#18 = Utf8 inc#19 = Utf8 (I)V#20 = Utf8 number#21 = Utf8 SourceFile#22 = Utf8 JavaClassUsage.java

以第一行為例，直接告訴你常量池中第一個(gè)index的類型是Methodref，它的classref是index=2，它的NameAndType是index=3。

并且直接在后面展示出了具體的值。

描述符

且慢，在常量池中我好像看到了一些不一樣的東西，這些I，L是什么東西？

這些叫做字段描述符：

上圖是他們的各項(xiàng)含義。除了8大基礎(chǔ)類型，還有2個(gè)引用類型，分別是對象的實(shí)例，和數(shù)組。

access_flags

常量池后面就是access_flags：訪問描述符，表示的是這個(gè)class或者接口的訪問權(quán)限。

先上密碼表：

再找一下我們16進(jìn)制的access_flag:

沒錯(cuò)，就是00 21。 參照上面的表格，好像沒有21，但是別怕：

21是ACC_PUBLIC和ACC_SUPER的并集。表示它有兩個(gè)access權(quán)限。

this_class和super_class

接下來是this class和super class的名字，他們都是對常量池的引用。

00 08 00 02

this class的常量池index=8， super class的常量池index=2。

看一下2和8都代表什么：

#2 = Class #4 // java/lang/Object#8 = Class #10 // com/flydean/JavaClassUsage

沒錯(cuò)，JavaClassUsage的父類是Object。

大家知道為什么java只能單繼承了嗎？因?yàn)閏lass文件里面只有一個(gè)u2的位置，放不下了！

interfaces_count和interfaces[]

接下來就是接口的數(shù)目和接口的具體信息數(shù)組了。

00 00

我們沒有實(shí)現(xiàn)任何接口，所以interfaces_count=0，這時(shí)候也就沒有interfaces[]了。

fields_count和fields[]

然后是字段數(shù)目和字段具體的數(shù)組信息。

這里的字段包括類變量和實(shí)例變量。

每個(gè)字段信息也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體：

field_info {u2 access_flags;u2 name_index;u2 descriptor_index;u2 attributes_count;attribute_info attributes[attributes_count]; }

字段的access_flag跟class的有點(diǎn)不一樣：

這里我們就不具體對比解釋了，感興趣的小伙伴可以自行體驗(yàn)。

methods_count和methods[]

接下來是方法信息。

method結(jié)構(gòu)體：

method_info {u2 access_flags;u2 name_index;u2 descriptor_index;u2 attributes_count;attribute_info attributes[attributes_count]; }

method訪問權(quán)限標(biāo)記：

attributes_count和attributes[]

attributes被用在ClassFile, field_info, method_info和Code_attribute這些結(jié)構(gòu)體中。

先看下attributes結(jié)構(gòu)體的定義：

attribute_info {u2 attribute_name_index;u4 attribute_length;u1 info[attribute_length]; }

都有哪些attributes, 這些attributes都用在什么地方呢？

其中有六個(gè)屬性對于Java虛擬機(jī)正確解釋類文件至關(guān)重要，他們是：
ConstantValue，Code，StackMapTable，BootstrapMethods，NestHost和NestMembers。

九個(gè)屬性對于Java虛擬機(jī)正確解釋類文件不是至關(guān)重要的，但是對于通過Java SE Platform的類庫正確解釋類文件是至關(guān)重要的，他們是：

Exceptions，InnerClasses，EnclosingMethod，Synthetic，Signature，SourceFile，LineNumberTable，LocalVariableTable，LocalVariableTypeTable。

其他13個(gè)屬性，不是那么重要，但是包含有關(guān)類文件的元數(shù)據(jù)。

總結(jié)

最后留給大家一個(gè)問題，java class中常量池的大小constant_pool_count是2個(gè)字節(jié)，兩個(gè)字節(jié)可以表示2的16次方個(gè)常量。很明顯已經(jīng)夠大了。

但是，萬一我們寫了超過2個(gè)字節(jié)大小的常量怎么辦？歡迎大家留言給我討論。

本文鏈接：http://www.flydean.com/jvm-class-file-structure/

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的JVM详解之:java class文件的密码本的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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