JAVA的CLASS文件详解

一、事例

1.1 Test.java

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

执行：javac Test.java，生成咱们今天要分析的Test.class文件。

1.2 查看二进制文件（命令：hexdump -C Test.class）

00000000  ca fe ba be 00 00 00 32  00 1d 0a 00 06 00 0f 09  |.......2........|
00000010  00 10 00 11 08 00 12 0a  00 13 00 14 07 00 15 07  |................|
00000020  00 16 01 00 06 3c 69 6e  69 74 3e 01 00 03 28 29  |.....<init>...()|
00000030  56 01 00 04 43 6f 64 65  01 00 0f 4c 69 6e 65 4e  |V...Code...LineN|
00000040  75 6d 62 65 72 54 61 62  6c 65 01 00 04 6d 61 69  |umberTable...mai|
00000050  6e 01 00 16 28 5b 4c 6a  61 76 61 2f 6c 61 6e 67  |n...([Ljava/lang|
00000060  2f 53 74 72 69 6e 67 3b  29 56 01 00 0a 53 6f 75  |/String;)V...Sou|
00000070  72 63 65 46 69 6c 65 01  00 09 54 65 73 74 2e 6a  |rceFile...Test.j|
00000080  61 76 61 0c 00 07 00 08  07 00 17 0c 00 18 00 19  |ava.............|
00000090  01 00 0c 48 65 6c 6c 6f  20 57 6f 72 6c 64 21 07  |...Hello World!.|
000000a0  00 1a 0c 00 1b 00 1c 01  00 04 54 65 73 74 01 00  |..........Test..|
000000b0  10 6a 61 76 61 2f 6c 61  6e 67 2f 4f 62 6a 65 63  |.java/lang/Objec|
000000c0  74 01 00 10 6a 61 76 61  2f 6c 61 6e 67 2f 53 79  |t...java/lang/Sy|
000000d0  73 74 65 6d 01 00 03 6f  75 74 01 00 15 4c 6a 61  |stem...out...Lja|
000000e0  76 61 2f 69 6f 2f 50 72  69 6e 74 53 74 72 65 61  |va/io/PrintStrea|
000000f0  6d 3b 01 00 13 6a 61 76  61 2f 69 6f 2f 50 72 69  |m;...java/io/Pri|
00000100  6e 74 53 74 72 65 61 6d  01 00 07 70 72 69 6e 74  |ntStream...print|
00000110  6c 6e 01 00 15 28 4c 6a  61 76 61 2f 6c 61 6e 67  |ln...(Ljava/lang|
00000120  2f 53 74 72 69 6e 67 3b  29 56 00 21 00 05 00 06  |/String;)V.!....|
00000130  00 00 00 00 00 02 00 01  00 07 00 08 00 01 00 09  |................|
00000140  00 00 00 1d 00 01 00 01  00 00 00 05 2a b7 00 01  |............*...|
00000150  b1 00 00 00 01 00 0a 00  00 00 06 00 01 00 00 00  |................|
00000160  01 00 09 00 0b 00 0c 00  01 00 09 00 00 00 25 00  |..............%.|
00000170  02 00 01 00 00 00 09 b2  00 02 12 03 b6 00 04 b1  |................|
00000180  00 00 00 01 00 0a 00 00  00 0a 00 02 00 00 00 03  |................|
00000190  00 08 00 04 00 01 00 0d  00 00 00 02 00 0e        |..............|
0000019e

1.3 查看字节码文件 （命令：javap -verbose Test）

Compiled from "Test.java"
public class Test extends java.lang.Object
  SourceFile: "Test.java"
  minor version: 0
  major version: 50
  Constant pool:
const #1 = Method       #6.#15; //  java/lang/Object."<init>":()V
const #2 = Field        #16.#17;        //  java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
const #3 = String       #18;    //  Hello World!
const #4 = Method       #19.#20;        //  java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
const #5 = class        #21;    //  Test
const #6 = class        #22;    //  java/lang/Object
const #7 = Asciz        <init>;
const #8 = Asciz        ()V;
const #9 = Asciz        Code;
const #10 = Asciz       LineNumberTable;
const #11 = Asciz       main;
const #12 = Asciz       ([Ljava/lang/String;)V;
const #13 = Asciz       SourceFile;
const #14 = Asciz       Test.java;
const #15 = NameAndType #7:#8;//  "<init>":()V
const #16 = class       #23;    //  java/lang/System
const #17 = NameAndType #24:#25;//  out:Ljava/io/PrintStream;
const #18 = Asciz       Hello World!;
const #19 = class       #26;    //  java/io/PrintStream
const #20 = NameAndType #27:#28;//  println:(Ljava/lang/String;)V
const #21 = Asciz       Test;
const #22 = Asciz       java/lang/Object;
const #23 = Asciz       java/lang/System;
const #24 = Asciz       out;
const #25 = Asciz       Ljava/io/PrintStream;;
const #26 = Asciz       java/io/PrintStream;
const #27 = Asciz       println;
const #28 = Asciz       (Ljava/lang/String;)V;

{
public Test();
  Code:
   Stack=1, Locals=1, Args_size=1
   0:   aload_0
   1:   invokespecial   #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
   4:   return
  LineNumberTable: 
   line 1: 0


public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
   Stack=2, Locals=1, Args_size=1
   0:   getstatic       #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   3:   ldc     #3; //String Hello World!
   5:   invokevirtual   #4; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   8:   return
  LineNumberTable: 
   line 3: 0
   line 4: 8


}

看不明白没有关系，咱们稍后分析

二、分析文件

现在咱们就来分析一下这个文件。首先在分析文件之前要明确JAVA字节码文件的基本格式。

2.1 第一行分析：

那么咱们的代码：

00000000  ca fe ba be 00 00 00 32  00 1d 0a 00 06 00 0f 09  |.......2........|

2.1.1 magic

魔术方法，4个字节，对应着cafebabe 

2.1.2 minor_version

次要版本信息：0000

2.1.3 major_version

主要版本信息：0032，换算成十进制是：50。Class文件的版本号是从45开始的，JDK1.1之后每一个JDK大版本发布主版本号就向上加1。JDK1.1能支持的版本号为45.0~45.65535的Class文件，JDK1.2能支持的版本号为46.0~46.65535以此类推，现在最新的JDK1.7能支持51.0~51.65535版本号的Class文件。还需要注意的一点是：高版本的JDK可以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。0x0032换算成十进制为50，按照上面的推导，该Class文件是可以被JDK1.6或以上的版本的虚拟机执行的Class文件（也可以反映出该Class文件是由JDK1.6版本的编译器编译的）。

继续分析常量池，也就是cp_info部分

2.2 常量池分析

00000000  ca fe ba be 00 00 00 32  00 1d 0a 00 06 00 0f 09  |.......2........|
00000010  00 10 00 11 08 00 12 0a  00 13 00 14 07 00 15 07  |................|
00000020  00 16 01 00 06 3c 69 6e  69 74 3e 01 00 03 28 29  |.....<init>...()|
00000030  56 01 00 04 43 6f 64 65  01 00 0f 4c 69 6e 65 4e  |V...Code...LineN|
00000040  75 6d 62 65 72 54 61 62  6c 65 01 00 04 6d 61 69  |umberTable...mai|
00000050  6e 01 00 16 28 5b 4c 6a  61 76 61 2f 6c 61 6e 67  |n...([Ljava/lang|
00000060  2f 53 74 72 69 6e 67 3b  29 56 01 00 0a 53 6f 75  |/String;)V...Sou|
00000070  72 63 65 46 69 6c 65 01  00 09 54 65 73 74 2e 6a  |rceFile...Test.j|
00000080  61 76 61 0c 00 07 00 08  07 00 17 0c 00 18 00 19  |ava.............|
00000090  01 00 0c 48 65 6c 6c 6f  20 57 6f 72 6c 64 21 07  |...Hello World!.|
000000a0  00 1a 0c 00 1b 00 1c 01  00 04 54 65 73 74 01 00  |..........Test..|
000000b0  10 6a 61 76 61 2f 6c 61  6e 67 2f 4f 62 6a 65 63  |.java/lang/Objec|

2.2.1 contant_pool_count

用于描述常量池中常量的个数，这里是001d，也就是29，这里注意，实际的常量的个数是contant_pool_count-1

2.2.2 contant_pool

下面来具体分析常量池，常量池之中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic Reference）。 

　　常量池中的每一项常量都是一个表类型，在JDK6.0之前有11种结构的表数据，这11种表都有一个共同的特点，就是表开始的第一位是一个u1类型的标志位（tag，取值为1~12，标志2空缺），它代表了当前这个常量属于那种常量类型，11种常量类型所代表的具体含义如下图所示： 

2.2.2.1 CONSTANT_InterfaceMethodref_info

咱们再举其中CONSTANT_InterfaceMethodref_info结构体的例子：

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

对应着上面的

00000000  ca fe ba be 00 00 00 32  00 1d 0a 00 06 00 0f 09  |.......2........|

• 0a 表示常量池的项目类型
• 0006和000f，分别是地址：6和15，这个需要记住

2.2.2.2 CONSTANT_Fieldfref_info 字段的符号引用

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

对应的是

00000000  ca fe ba be 00 00 00 32  00 1d 0a 00 06 00 0f 09  |.......2........|
00000010  00 10 00 11 08 00 12 0a  00 13 00 14 07 00 15 07  |................|

• 09 字段的符号引用
• 0010和0011分别对应的地址是：16和17

2.2.2.3 CONSTANT_String_info

00000010  00 10 00 11 08 00 12 0a  00 13 00 14 07 00 15 07  |................|

• 08 String 类型字面量
• 0012 是18

2.2.3 上面记住了很多地址，现在对应一下：

const #1 = Method       #6.#15; //  java/lang/Object."<init>":()V------------------------------对应的是 0a 00 06 00 0f
const #2 = Field        #16.#17;        //  java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;---------对应的是 09 00 10 00 11
const #3 = String       #18;    //  Hello World!-----------------------------------------------对应的是 08 00 12
const #4 = Method       #19.#20;        //  java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
const #5 = class        #21;    //  Test
const #6 = class        #22;    //  java/lang/Object
const #7 = Asciz        <init>;
const #8 = Asciz        ()V;
const #9 = Asciz        Code;
const #10 = Asciz       LineNumberTable;
const #11 = Asciz       main;
const #12 = Asciz       ([Ljava/lang/String;)V;
const #13 = Asciz       SourceFile;
const #14 = Asciz       Test.java;
const #15 = NameAndType #7:#8;//  "<init>":()V
const #16 = class       #23;    //  java/lang/System
const #17 = NameAndType #24:#25;//  out:Ljava/io/PrintStream;
const #18 = Asciz       Hello World!;
const #19 = class       #26;    //  java/io/PrintStream
const #20 = NameAndType #27:#28;//  println:(Ljava/lang/String;)V
const #21 = Asciz       Test;
const #22 = Asciz       java/lang/Object;
const #23 = Asciz       java/lang/System;
const #24 = Asciz       out;
const #25 = Asciz       Ljava/io/PrintStream;;
const #26 = Asciz       java/io/PrintStream;
const #27 = Asciz       println;
const #28 = Asciz       (Ljava/lang/String;)V;

依次类推，找出对应的常量池里面的内容

2.3 类信息

2.3.1 access_flag

const #21 = Asciz       Test;
const #22 = Asciz       java/lang/Object;
const #23 = Asciz       java/lang/System;
const #24 = Asciz       out;
const #25 = Asciz       Ljava/io/PrintStream;;
const #26 = Asciz       java/io/PrintStream;
const #27 = Asciz       println;
const #28 = Asciz       (Ljava/lang/String;)V;  //常量池结束

根据以前分析的内容，使用javap查看，发现结束的是上面的：(Ljava/lang/String;)V;

那么对应的使用hexdump查看的内容是：

00000100  6e 74 53 74 72 65 61 6d  01 00 07 70 72 69 6e 74  |ntStream...print|
00000110  6c 6e 01 00 15 28 4c 6a  61 76 61 2f 6c 61 6e 67  |ln...(Ljava/lang|
00000120  2f 53 74 72 69 6e 67 3b  29 56 00 21 00 05 00 06  |/String;)V.!....|
00000130  00 00 00 00 00 02 00 01  00 07 00 08 00 01 00 09  |................|

access_flag: 是2个字节代表的访问标志，这个标志的作用是用于识别一些类或者接口层次的访问信息，例如：这个Class是类还是接口，是否定义为public，是否定义为abstract，如果是类的话，是否被定义为final类型的之类的信息。具体的标志位及标志的含义如下表：

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	是否为public类型
ACC_FINAL	0x0010	是否被声明为final，只有类可以设置，接口不能设置该标志
ACC_SUPER	0x0020	是否允许使用invokespecial字节码指令（查了一下该命令的作用为"调用超类的构造方法，实例的构造方法，私有方法"），JDK1.2以后的编译器编译出来的class文件该标志都为真
ACC_INTERFACE	0x0200	标识这是一个接口
ACC_ABSTRACT	0x0400	是否被声明为abstract类型，对于接口和抽象类来说此标志为真，其他类为假
ACC_SYNTHETIC	0x1000	标识这个类并非由用户代码生成
ACC_ANNOTATION	0x2000	标识这是一个注解
ACC_ENUM	0x4000	标识这是一个枚举

由于Test.class类被声明为"public"的，JDK1.6编译出来的文件，JVM中没有使用标志为一律为0，所以只有ACC_PUBLIC与ACC_SUPER标志位不为0，因此它access_flag的值为0x0001|0x0020=0x0021("|"布尔或操作符)，这里省略了其他6个标志的计算，因为"|"操作符，只有全为0才为0，所以虽然要计算8个标志为的值，但是可以简化为2个。对应如下图：

00000100  6e 74 53 74 72 65 61 6d  01 00 07 70 72 69 6e 74  |ntStream...print|
00000110  6c 6e 01 00 15 28 4c 6a  61 76 61 2f 6c 61 6e 67  |ln...(Ljava/lang|
00000120  2f 53 74 72 69 6e 67 3b  29 56 00 21 00 05 00 06  |/String;)V.!....|
00000130  00 00 00 00 00 02 00 01  00 07 00 08 00 01 00 09  |................|

2.3.2 类信息

access_flag分析完后，紧接着access_flag的是2个字节的类索引(this_class)，2个字节的父类索引(super_class)和一组2个字节的数据集合接口索引(interfaces)。Class文件中就是由这三项数据确定这个类的继承关系。其中类索引this_class用于确定这个类的全限定名：接下来是00 05 00 06，分别对应自身的class和继承的class在常量池里面的位置。

2.3.3 Code属性

2.3.3.1 顺序内容

• arribute_name_index,u2 是指向CONSTANT_Utf8_info型常量的索引
• arribute_length,u4 属性的长度
• max_stack,u2 操作数栈
• max_locals,u2 局部变量存储空间，单位是slot
• code_length,u4 
• code,u1
• exception_table_length,u2
• exception_table,exception_info
• atrributes_count,u2
• atrributes,attribute_info

操作深度和变量表的长度都是 00 01

所占用的长度是 00 05

00000140  00 00 00 1d 00 01 00 01  00 00 00 05 2a b7 00 01  |............*...|
00000150  b1 00 00 00 01 00 0a 00  00 00 06 00 01 00 00 00  |................|
00000160  01 00 09 00 0b 00 0c 00  01 00 09 00 00 00 25 00  |..............%.|
00000170  02 00 01 00 00 00 09 b2  00 02 12 03 b6 00 04 b1  |................|
00000180  00 00 00 01 00 0a 00 00  00 0a 00 02 00 00 00 03  |................|
00000190  00 08 00 04 00 01 00 0d  00 00 00 02 00 0e        |..............| 

2.3.3.2 执行过程

读入：2a，指令是aload_0，意思是将第一个变量推送到栈顶

读入：b7，指令时invokespecial

。。。。

读入：b1，return

• 三、执行程序 

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
   Stack=2, Locals=1, Args_size=1
   0:   getstatic       #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   3:   ldc     #3; //String Hello World!
   5:   invokevirtual   #4; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   8:   return
  LineNumberTable: 
   line 3: 0
   line 4: 8

• ldc：ldc 将int, float或String型常量值从常量池中推送至栈顶
• invokeviretual: 调用方法，对应这地址#4一层层的查找

关于执行方面的内容，也可以参考另外的一篇文章：http://www.cnblogs.com/liqiu/p/3437113.html