一個.class文件對應一個類(Class)

包含字節碼(虛擬機指令)?

1 ． 目的

Java 虛擬機識別的 class 文件格式包含 Java 虛擬機指令 （或者 bytecodes ）和一個符號表以及其他的輔助信息。本文將使用 VC++ 語言解析 Java Class 文件符號表，逆向生成 Java 源代碼結構。如圖 1 ：

?

????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖1

之所以使用 VC++ 而不使用 Java 的主要是因為 VC++ 界面開發簡單；運行速度快，不需要虛擬機；需要用指針建立復雜的數據結構。

2 ． 實現

實現該工具的過程如下：

1． 解析 Class 文件，從 Class 文件中讀取數據并保存到稱為 ClassFile 結構體中；

2． 解析 ClassFile 結構體，生成源代碼字符串；

3． 將字符串顯示到視圖中。

2.1 解析 Class 文件

為實現第 1 步，首先需要了解 Class 文件格式規范，參考《 Java 虛擬機規范》第四章 class 文件格式，總結 class 文件的數據結構如圖 2 。

2.1.1 Class 文件格式

Class 文件格式 ClassFile 結構體的 C 語言描述如下：

struct ClassFile

{

????????????? u4 magic;?????????????????????????? ????? // 識別 Class 文件格式，具體值為 0xCAFEBABE ，

????????????? u2 minor_version;??????????? // Class 文件格式副版本號，

????????????? u2 major_version;??????????? // Class 文件格式主版本號，

????????????? u2 constant_pool_count; //? 常數表項個數，

????????????? cp_info **constant_pool;// 常數表，又稱變長符號表，

????????????? u2 access_flags;????????????? ? //Class 的聲明中使用的修飾符掩碼，

????????????? u2 this_class;?????????????????? // 常數表索引，索引內保存類名或接口名，

????????????? u2 super_class;??????????????? // 常數表索引，索引內保存父類名，

????????????? u2 interfaces_count;??????? // 超接口個數，

????????????? u2 *interfaces;???????????????? // 常數表索引，各超接口名稱，

????????????? u2 fields_count;? ???? // 類的域個數，

????????????? field_info **fields;????????? // 域數據，包括屬性名稱索引，

// 域修飾符掩碼等，

????????????? u2 methods_count;???????? ? // 方法個數，

????????????? method_info **methods;// 方法數據，包括方法名稱索引，方法修飾符掩碼等，

????????????? u2 attributes_count;?????? ? // 類附加屬性個數，

????????????? attribute_info **attributes; // 類附加屬性數據，包括源文件名等。

};

?

其中 u2 為 unsigned short ， u4 為 unsigned long ：

typedef unsigned char? ? u1;

typedef unsigned short ? u2;

typedef unsigned long ?? u4;

?

cp_info **constant_pool 是常量表的指針數組，指針數組個數為 constant_pool_count ，結構體 cp_info 為

struct cp_info

{

????????????? u1 tag;?????? // 常數表數據類型

????????????? u1 *info;?? // 常數表數據

};

常數表數據類型 Tag 定義如下：

#define CONSTANT_Class??????????????? ????????????????????????? 7?????

#define CONSTANT_Fieldref???????????? ???????????????????????? 9

#define CONSTANT_Methodref????????????????????????????? ? 10

#define CONSTANT_InterfaceMethodref?? ??????????????? 11

#define CONSTANT_String??????????????????????????????????????????????????? ? 8

#define CONSTANT_Integer??????????????????????????????????? ? ???????????? 3

#define CONSTANT_Float???????????????????????????????????????????????????? ? 4

#define CONSTANT_Long???????????????????????? ??????????????????????????? ? 5

#define CONSTANT_Double????????????? ???????????????????????? 6

#define CONSTANT_NameAndType????????? ??????????????? 12

#define CONSTANT_Utf8????????????????????????????????????????????????????? ? 1

每種類型對應一個結構體保存該類型數據，例如 CONSTANT_Class 的 info 指針指向的數據類型應為 CONSTANT_Class_info

struct CONSTANT_Class_info

{

????????????? u1 tag;

????????????? u2 name_index;

};

圖 2

CONSTANT_Utf8 的 info 指針指向的數據類型應為 CONSTANT_Utf8_info

struct CONSTANT_Utf8_info

{

????????????? u1 tag;

????????????? u2 length;

????????????? u1 *bytes;

};

Tag 和 info 的詳細說明參考《 Java 虛擬機規范》第四章 4.4 節。

access_flags 為類修飾符掩碼，域與方法都有各自的修飾符掩碼。

#define ACC_PUBLIC??????????????????????????????? 0x0001?

#define ACC_PRIVATE???????????????????????????? 0x0002

#define ACC_PROTECTED?????????????????????? ??????????? 0x0004

#define ACC_STATIC??????????????????????????????? 0x0008

#define ACC_FINAL????????????????????????????????? ??????????? 0x0010

#define ACC_SYNCHRONIZED????????????? ??????????? 0x0020

#define ACC_SUPER????????????????????????????????? ????????????? 0x0020

#define ACC_VOLATILE????????????????????????? ????????????? 0x0040

#define ACC_TRANSIENT??????????????????????? ????????????? 0x0080?

#define ACC_NATIVE?????????????????????????????? 0x0100

#define ACC_INTERFACE??????????????????????? ????????????? 0x0200?

#define ACC_ABSTRACT???????????????????????? ????????????? 0x0400?

#define ACC_STRICT???????? ???????????????????????????? 0x0800

例如類的修飾符為 public abstract 則 access_flags 的值為 ACC_PUBLIC | ACC_ABSTRACT=0x0401 。

this_class 的值是常數表的索引，索引的 info 內保存類或接口名。例如類名為 com.sum.java.swing.SwingUtitlities2 在 info 保存為 com/sum/java/swing/SwingUtitlities2

super_class 的值是常數表的索引，索引的 info 內保存超類名，在 info 內保存形式和類名相同。

interfaces 是數組，數組個數為 interfaces_count ，數組內的元素為常數表的索引，索引的 info 內保存超接口名，在 info 內保存形式和類名相同。

field_info **fields 是類域數據的指針數組，指針數組個數為 fields_count ，結構體 field_info 定義如下：

struct field_info

{

????????????? u2 access_flags;??????????????? ? // 域修飾符掩碼

????????????? u2 name_index;???????????????? // 域名在常數表內的索引

????????????? u2 descriptor_index;??? ?????? // 域的描述符，其值是常數表內的索引

????????????? u2 attributes_count;?????????? // 域的屬性個數

????????????? attribute_info **attributes; // 域的屬性數據，即域的值

?

};

例如一個域定義如下：

private final static byte UNSET=127;

則該域的修飾符掩碼值為： ACC_PRIVATE | ACC_STATIC | ACC_FINAL=0x001A

常數表內 name_index 索引內保存數據為 UNSET ，常數表內 descriptor_index 索引內保存的數據為 B （ B 表示 byte, 其他類型參考《 Java 虛擬機規范》第四章 4.3.2 節）。 attributes_count 的值為 1 ，其中 attributes 是指針數組。指針數組個數為 attributes_count ，在此為 1 ， attribute_info 結構體如下：

struct attribute_info

{

????????????? u2 attribute_name_index;?? // 常數表內索引

????????????? u4 attribute_length;??????????? // 屬性長度

????????????? u1 *info;???????????????????????????? // 根據屬性類型不同而值不同

};?

attribute_info 可以轉換 (cast) 為多種類型 ConstantValue_attribute ， Exceptions_attribute ， LineNumberTable_attribute ， LocalVariableTable_attribute ， Code_attribute 等。

因為域的屬性只有一種： ConstantValue_attribute ，因此此結構體轉換為

struct ConstantValue_attribute

{

????????????? u2 attribute_name_index;??????? // 常數表內索引

????????????? u4 attribute_length;???????????????? // 屬性長度值，永遠為 2

????????????? u2 constantvalue_index;??????? ? // 常數表內索引，保存域的值

// 在此例中，常數表內保存的值為 127

};

method_info **methods 是方法數據的指針數組，指針數組個數為 methods_count ，結構體 method_info 定義如下：

struct method_info

{

????????????? u2 access_flags;?????????????????? // 方法修飾符掩碼

????????????? u2 name_index;?????????????????? // 方法名在常數表內的索引

????????????? u2 descriptor_index;??????????? // 方法描述符，其值是常數表內的索引

????????????? u2 attributes_count;???????????? // 方法的屬性個數

????????????? attribute_info **attributes;? // 方法的屬性數據，

// 保存方法實現的 Bytecode 和異常處理

};

例如一個方法定義如下：

public static boolean canAccessSystemClipboard(){

????????????? ...

}

則 access_flags 的值為 ACC_PUBLIC | ACC_STATIC =0x0009 ，常數表內 name_index 索引內保存數據為 canAccessSystemClipboard ，常數表內 descriptor_index 索引內保存數據為 ()Z ； ( 括號表示方法參數， Z 表示返回值為布爾型，詳細說明參照《 Java 虛擬機規范》第四章 4.3.2 節 ) 。 attribute_info **attributes 是方法的屬性指針數組，個數為 attributes_count ，數組內保存的是常數表索引， info 為 Code_attribute 或 Exceptions_attribute 。

本文不解析方法內容，因此忽略 Code_attribute 和 Exceptions_attribute 的內容。

?

ClassFile 結構體中的 attribute_info **attributes 是附加屬性數組指針，個數為 attributes_count ，本文只識別 SourceFile 屬性。

struct SourceFile_attribute

{

????????????? u2 attribute_name_index; // 常數表內索引

????????????? u4 attribute_length;????????? // 屬性長度值，永遠為 2

????????????? u2 sourcefile_index;???????? // 常數表內索引， info 保存源文件名

};

例如 com.sum.java.swing.SwingUtitlities2 類的源文件名為 SwingUtitlities2.java 。

????????????? 以上是本文需要解析的 Class 文件格式。

2.1.2 讀取數據

定義 CJavaClass 類完成解析 Class 文件，生成 Java 源程序字符串。使用 VC++ 的 MFC 類 CFile 從 Class 文件讀取數據。 例如：用 16 進制編輯器打開 Class 文件，如圖 3 ，前 4 個 byte 分別是 CA FE BA BE ，使用 CFile::Read(tmp,sizeof(u4)) 讀取后， tmp 的值為 0xBEBAFECA ，所以需要位轉換。定義以下方法從文件讀取定長數據：

????????????? ????????????? void readu1(u1 *buff);

? void readu2(u2 *buff);

? void readu4(u4 *buff);

定義如下方法讀取變長數據。

void readun(void *buff,u4 len) ；

讀取的 u2 和 u4 的數據需要位轉換：

U1? [0]

U1 [1]

U1?? [1]

U1 [0]

U2 ：

U1? [0]

U1 [1]

U1?? [3]

U4 ：

U1 [2]

U1? [3]

U1 [2]

U1?? [0]

U1 [1]

調用 void readu4(u4 *buff); 后 buff 的值為 0x CAFEBABE ，該值為 ClassFile 的 magic ，識別該文件是 Java Class 文件。

?

圖 3

????????????? magic 的后面是 Class 格式的版本號，圖 3 的版本為 0x00000030=0.48 。版本后面是常數表的元素個數，圖 3 的常數表的元素個數為 0xD2=210 個。常數表的元素個數之后如 ClassFile 結構體定義的常數表，類信息，接口信息，域信息，方法信息和附加屬性等。

2.2 生成 Java 源文件

????????????? 解析 Class 文件后，生產 ClassFile 結構體。遍歷該結構體數據，則可根據 Java 語言規范生成 Java 源文件。例如根據 ClassFile 的 access_flags 值獲得 Java 類的修飾符，其中 access 是 CArray<CString,CString&> ，保存類所有的修飾符 ：

????????????? if((flag & ACC_PUBLIC )==ACC_PUBLIC)

????????????? {

????????????????????????????????????????? access.Add(CString("public"));

????????????? }

????????????? if((flag & ACC_PRIVATE)==ACC_PRIVATE)

????????????? {

????????????????????????????????????????? access.Add(CString("private"));

?

????????????? }

????????????? if((flag & ACC_PROTECTED)==ACC_PROTECTED)

????????????? {

????????????????????????????????????????? access.Add(CString("protected"));

?

????????????? }

…

2.3 顯示視圖

????????????? 將獲得的 Java 源代碼顯示在 MFC 的 CScrollView 視圖非常簡單，可以添加一些關鍵字顏色，例如注釋顯示為草綠色等，如圖 4 。

圖 4

3 ．總結

????????????? 本文根據《 Java 虛擬機規范》開發了解析 Java Class 文件格式，并生成 Java 源代碼結構的工具。其優點是：

1． 脫離 Java 虛擬機或 Java 開發環境；

2． 可查閱沒有 Java 源代碼的 Class 文件的內容；

3． 為一些復雜的 Java Jar 包生成相同類名的替代類，方便開發調試。例如，用返回固定字符串的 java 源文件更換需要網絡鏈接的相同 java 類，有助于本地運行與調試。

缺點是：

1． 由于沒有反編譯 Bytecode ，工具生成的部分 Java 源文件需要手動添加一些 Java 屬性值；

2． Java 源文件內的所需要使用的 Java 方法內容需要程序員手動實現。

?

總結

以上是生活随笔為你收集整理的.class文件格式(java字节码文件的格式)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。