jvm理论-class文件

当JVM运行Java程序的时候，它会加载对应的class文件，并提取class文件中的信息存放在JVM的方法区内存中。

Class文件组成

1、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顺序紧凑排列在Class文件中，中间没有分隔符。所以Class文件中存储的内容几乎全部是程序运行的必要数据。

2、当遇到占据8位字节以上空间的数据项时，会按照高位在前的方式， 分割成若干个8位字节进行存储。

ClassFile {
    u4 magic;
    u2 minor_version;
    u2 major_version;
    u2 constant_pool_count;
    cp_info contant_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];
}

Class文件数据类型

无符号数

1、基本数据类型，以u1、u2、u4、u8分别代表1个字节、2个字节、4个字节、8个字节。

2、无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值和按照UTF8编码构成字符串值。

表

1、表用来描述有层次关系的的复合数据结构。

2、表是由无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据结构。

3、所有表都以_info结尾。

4、整个class文件本质上就是一张表。

item1：magic(魔数)[u4]：0xCAFEBABE

辨别class文件与非class文件

item2：minor_version、major_version(次、主版本号) [u2，u2]

随着Java技术的发展，class文件的格式会发生变化。版本号的作用在于使得虚拟机能够认识当前加载class的文件格式。从而准确的提取class文件信息。

item3：常量池(constant_pool_count 、constance_pool)[u2，cp_info]

常量池内容

常量池存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Synbolic Reference）

一、字面量

1、文本字符串

2、声明为final的常量值

final修饰的变量有三种：静态变量、实例变量和局部变量，分别表示三种类型的常量

3、基本数据类型

4、其他

二、符号引用

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

常量池结构

JVM会将每一个常量构成一个常量表，每个常量表都有自己的入口地址。而实际上在JVM会将这些常量表存储在方法区中一块连续的内存空间中，因此class文件会根据常量表在常量池中的位置对其进行索引。比如常量池中的第一个常量表的索引值就是1，第二个就是2。有的时候常量表A需要常量表B的内容，则在常量表A中会存储常量表B的索引值x。而constant_pool_count就记录了有多少个常量表，或则所有多少个索引值。实际上，常量池中没有索引值为0的常量表，但这缺失的索引值也被记录在 constant_pool_count中，因此 constant_pool_count等于常量表的数量加1。

常量池计数器(constant_pool_count)：常量表(cp_info)数量+1。

常量表(cp_info)：constant_pool_count-1个。

常量表结构(cp_info)

每个常量表(cp_info) 都会对应记录着class文件中的某中类型的字面量

这14种表有一个共同的特点，就是开始的第一位是一个u1类型的标志位（tag，就是上表中的标志这一列），代表当前这个常量属于哪种常量类型。

 

字符串常量池：http://www.cnblogs.com/tenghoo/p/jvm_string.html

基本类型常量池：http://www.cnblogs.com/tenghoo/p/jvm_primitive.html

item4：访问标志(access_flags)[u2]　　

表明该class文件中定义的是类还是接口，访问修饰符是public还是缺省。类或接口是否是抽象的。类是否是final的。

item5：类索引（this_class） [u2]、父类索引（super_class）[u2]、接口索引集合（inteface_count、interfaces ）[u2，u2]

1、Class文件通过这三项数据来确定这个类的继承关系。

2、类索引用于确定这个类的全限定名。

3、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。

4、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。

5、接口索引集合就用来描述这个类实现了哪些接口。

6、类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示，它们各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量，通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串。

7、对于接口索引集合，入口的第一项：u2类型的数据为接口计数器（interfaces_count），表示索引表的容量。如果该类没有实现任何接口，则该计数器值为0，后面接口的索引表不再占用任何字节。

item6：字段表集合（field_count，fields） [u2，field_info]

1、字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量。

2、字段（field）包括类级变量以及实例级变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。

field_info表格式

access_flags(2byte 访问修饰符)

name_index(2byte 存储字段名的常量表在常量池中的索引)

description_index(2byte 存储字段的所属类型的常量表在常量池中的索引)

attribute_count(2byte 属性表的数量)

attribute (属性)

其中attribute是由多个attribute_info组成。而JVM规范定义了字段的三种属性：ConstanceValue、Deprecated和Synthetic。

item7：方法表集合（method_count、methods） [u2，method_info] 

method_count、methods 与字段类似，method_count表明类中方法的数量和每个方法的常量表的索引。methods表明了不同长度的method_info表的序列。

method_info表格式

access_flags(2byte 访问修饰符)

name_index(2byte 存储方法名的常量表在常量池中的索引)

description_index(2byte 存储方法的返回类型和参数类型的常量表在常量池中的索引)

attribute_count(2byte 属性表的数量)

attribute (属性)

其中方法的属性JVM规定了四种：Code，Deprecated，Exceptions，Synthetic。

简单名称：方法名如：fun，字段名如：str1

全限定名：com/mobjia/clazz/TestClass

描述符：

描述符的作用是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表(包括数量、类型以及顺序)和返回值。

根据描述符规则，基本数据类型(byte、char、double、float、int、long、short、boolean)以及代表无返回值的void类型都用一个大写字符来表示，而对象类型则用字符L加对象的全限定名来表示。

数组类型：每一维度将使用一个前置的“[”字符来描述，如一个定义为“java.lang.String[][]”类型的二维数组，将被记录为：“[[Ljava/lang/String；”，一个整型数组“int[]”将被记录为“[I”。

用描述符来描述方法时，按照先参数列表，后返回值的顺序描述，参数列表按照参数的严格顺序放在一组小括号“（）”之内。

void inc（）的描述符为（）V
java.lang.String toString（）的描述符（）Ljava/lang/String；
int indexOf（char[]source,int sourceOffset,int sourceCount,char[]target,int targetOffset,inttargetCount,int fromIndex）的描述符 （[CII[CIII）I

item8：属性表集合（attribute_count、attributes） [u2，attribute_info] 

Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景专有的信息。

与Class文件中其他的数据项目要求严格的顺序、长度和内容不同，属性表集合的限制稍微宽松了一些，不再要求各个属性表具有严格顺序，并且只要不与已有属性名重复，任何人实现的编译器都可以向属性表中写入自己定义的属性信息，Java虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。为了能正确解析Class文件，《Java虚拟机规范（第2版）》中预定义了9项虚拟机实现应当能识别的属性，而在最新的《Java虚拟机规范（Java SE 7）》版中，预定义属性已经增加到21项。

对于每个属性，它的名称需要从常量池中引用一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量来表示，而属性值的结构则是完全自定义的，只需要通过一个u4的长度属性去说明属性值所占用的位数即可。一个符合规则的属性表应该满足下表中所定义的结构。

Class实例分析工具

jvm class分析工具：

WinHe十六进制编辑器

https://sourceforge.net/projects/classeditor/files/

http://xuantan.iteye.com/blog/2030651

参考：

http://blog.csdn.net/luanlouis/article/details/39960815

http://blog.csdn.net/a616413086/article/details/52250638

http://hxraid.iteye.com/blog/687660