《深入理解Java虚拟机》读书笔记——Class类文件结构

深入理解Java虚拟机Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流,各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件之中,中间没有添加任何分隔符。当遇到需要占用8位字节以上空间的数据项时,则会按照高位在前的方式分割成若干个8位字节进行存储。

Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储,这种伪结构中只有两种数据类型:无符号数和表,后面的解析都要以这两种数据类型为基础。

  • 无符号数属于基本的数据类型,以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数,无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值,或者按照UTF-8编码构成字符串。
  • 示由多个无符号数或其他表作为数据项构成的复合数据类型,所有表都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据,整个Class文件本质上就是一张表。

无论是无符号数还是表,当需要描述同一类型但数量不定的多个数据时,经常会使用一个前置的容量计数器加若干个连续的数据项的形式,这时候这一系列连续的某一类型的数据为某一类型的集合。

魔数(magic)与Class文件的版本(minor_versor/major_version)

每个Class文件的头4个字节称为魔数(Magic Number),用于确定这个文件是否是一个能被虚拟机接受的Class文件。Class文件的魔数值为0xCAFEBABE。

紧接着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号:第5和第6个字节是次版本号(Minor Version),第7和第8个字节是主版本号(Major Version)。Java的版本号是从45开始的,JDK 1.1之后的每个JDK大版本发布主版本号向上加1,高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件,但不能运行以后版本的Class文件,即使文件格式并未发生变化。

常量池(constant_pool)

由于常量池中常量的数量是不固定的,所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的数据,代表常量池容量计数值(constant_pool_count)。与Java中的语言习惯不一样的是,这个容量计数是从1而不是0开始的,假设常量池容量为22,代表常量池中有21项常量,索引值为1~21。制定Class文件格式规范时,将第0项常量空出来是有特殊考虑的,为了满足后面某些指向常量池的索引值的数据在特定情况下需要表达“不引用任何一个常量池项目”的意思,这种情况就可以把索引值置为0来表示。

常量池之中主要存放两大类常量:字面量(Literal)符号引用(Symbolic Reference)。字面量比较接近于Java语言层面的常量概念,如文本字符串、被声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念,包括了下面三类常量:

  • 类和接口的全限定名(Fully Qualified Name)
  • 字段的名称和描述符(Descriptor)
  • 方法的名称和描述符

Java代码在进行Javac编译的时候,并不像C和C++那样有“连接”这一步骤,而是在虚拟机加载Class文件的时候进行动态连接。也就是说,Class文件中不会保存各个方法和字段的最终内存布局信息,因此这些字段和方法的符号引用不经过转换的话是无法直接被虚拟机使用的。当虚拟机运行时,需要从常量池获得对应的符号引用,再在类创建时或运行时解析并翻译到具体的内存地址之中

访问标志(access_flags)

访问标志用于识别一些类或接口层次的访问信息,包括:这个Class是类还是接口;是否定义为public类型;是否定义为abstract类型;如果是类的话,是否被声明为final,等等。

类索引(this_class)、父类索引(super_class)与接口索引集合(interfaces)

Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系。类索引用于确定这个类的全限定名,父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。由于Java语言不允许多重继承,所以父类索引只有一个,除了java.lang.Object之外,所有的Java类都有父类,因此除了java.lang.Object外,所有Java类的父类索引都不为0.接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口,这些被实现的接口将按implements语句(如果这个类本身是一个借口,则应当是extends语句)后的接口顺序从左到右排列在接口的索引集合中。

字段表(field_info)集合

字段表用于描述接口或类中声明的变量。字段(field)包括了类级变量或实例级变量,但不包括在方法内部声明的变量。字段表依次包括了访问标志(access_flags)、名称索引(name_index)、描述符索引(descriptor_index)、属性表集合(attributes)几项

Java中字段的描述信息包括:字段的作用域(public、private、protected修饰符)、是类级变量还是实例级变量(static修饰符)、可变性(final)、并发可见性(volatile修饰符,是否强制从主内存读写)、可否序列化(transient修饰符)、字段数据类型(基本类型、对象、数组)、字段名称。

方法表(method_info)集合

Class文件存储格式中方法表同字段表一样,依次包括了访问标志(access_flags)、名称索引(name_index)、描述符索引(descriptor_index)、属性表集合(attributes)几项。方法里的代码经过编译器编译成字节码指令后,存放在方法属性表集合中一个名为“Code”的属性里面。

注:Java代码的方法特征签名只包括了方法名称、参数顺序及参数类型,而字节码的特征签名还包括方法返回值及受查异常表。

属性表(attribute_info)集合

在Class文件、字段表、方法表中都可以携带自己的属性表集合,以用于描述某些场景转悠的信息。

虚拟机规范预定义了9项属性:

参考链接

http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17675609

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