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JVM 之 Class文件结构
网友分享于:Jan 1, 1970 8:00:00 AM    来源: IT货架   

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JVM 之 Class文件结构

本文写作目的:

1)为了加深自己学习的理解,2)帮助正在学习研究JVM的同仁,3)与任何热爱技术的达人交流经验,提升自己

以此为本,文章会尽量写的简洁,尽量保证理解的正确性,如有任何理解不到位或错误的地方,希望朋友们及时指出,严厉拍砖。


开始之前我们需要先了解一些基本的概念,这些概念是学习整个JVM原理的基础。

1)JVM虚拟机规范主要规范了Class文件结构,虚拟机内存结构,虚拟机加载,解析,执行Class文件的行为方式,以及一系列的字节码指令集。

2)Class文件理论上说是一种数据结构,该数据结构有着严格的格式规范,该规范在字节粒度上规定了组成该数据结构的格式标准。

3)Class文件本质上是一组二进制字节流,是被JVM解析执行的数据源,每个字节都有着不同的含义,可能表示字符,数字,也可能表示执行某种操作的一个字节码指令。

4)JVM (Java 虚拟机)是解析执行Class文件的核心引擎,是整个Java系统的运行时环境,是跨平台的基石。

5)我们的Java代码需要被编译器编译成完整,正确的Class文件才能被JVM正确的执行。

6)编译器并非JVM的一部分,不同的语言可以提供不同的编译器,其作用是将该语言的代码编译为正确的Class文件,如Scala,JRuby等等。

7)JVM是完全开放的跨平台的,只要你有能力你可以按照JVM虚拟机规范编写自己的编程语言。

8)JVM 使得Java的跨平台成为可能,那么Class文件结构规范则使得更多的编程语言运行在JVM上成为可能。


既然Class文件是一种数据结构,那么到底是什么样的数据结构呢?通常计算机中的文件都包含元数据和实体数据两部分,元数据用来存储该文件的描述信息,实体数据来存放用于表达文件真实内容的数据。当然Class文件也不例外,我们为了便于理解,也将class文件的结构分为两大部分:元数据和实体数据(注:非规范定义,只是为了方便理解进行的自定义)。

元数据:包含了Class文件的魔术数(标识符)和版本信息。

实体数据:包含了常量池,字段描述,方法描述,属性描述等用于表述该类行为的具体信息。

元数据我们不多赘述对我们后面的分析没多大关系,下面主要分析下实体数据。

一,结构概览

不管是元数据还是实体数据他们都以字节为单位按顺序紧凑的排列在class文件中,没有任何多余空间。为了描述class文件结构,虚拟机规范定义了u1, u2, u4, u8四种基本数据结构和一种由这四种基本数据结构组成的复杂数据结构-表(通常以info结尾表示),这四种基本数据结构分别表示一个字节,两个字节,四个字节,八个字节。基于此我们便可以清晰的了解class文件结构的总体轮廓了(C语言语法,其中常量表,变量表,方法表,属性表都有一到多个,因此定义为数组),如<<代码一>>

class-file {
    u4             magic;//魔术数
    u2             minor_version;//小版本号
    u2             major_version;//大版本号
    u2             constant_pool_count;//常量池中常量个数+1
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池
    u2             access_flags;//类的访问控制符标识(public,static,final,abstract等)
    u2             this_class;//该类的描述(值为对常量池的引用,引用的值为CONSTANT_Class_info)
    u2             super_class;//父类的描述(值为对常量池的引用,引用的值为CONSTANT_Class_info)
    u2             interfaces_count;//接口数量
    u2             interfaces[interfaces_count];//接口的描述(每个都是对常量池的引用)
    u2             fields_count;//变量数,包括该类中或接口中类变量和实例变量
    field_info     fields[fields_count];//变量表集合
    u2             methods_count;//方法数,包括该类中或接口中定义的所有方法
    method_info    methods[methods_count];//方法表集合
    u2             attributes_count;//属性数,包括InnerClasses,EnclosingMethod,SourceFile等
    attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合
}

注:表本身是一种复杂结构,包含多个字节,Class文件机构中定义了四种表结构,1)常量表2)变量表3)方法表4)属性表。由于每种表都有一到多个,所以在<<代码一>>中可以看出他们都是在数组中的。

接下来我们按顺序研究下每个部分的具体含义!


二,常量池

Class文件中的常量池大小(constant_pool_count)由第九,第十两个字节(前八个字节用来描述版本信息)决定,我们知道两个字节最大可以表示65535,这也就表明一个Class文件中最多可以具备65535个常量,包括数值,字符串,类名,方法名,变量名等等。接下来的constant_pool_count个字节就用来描述所有的常量了。为了能表示各种可能类型的值,常量在Class文件中被定义成一种复杂结构:如<<代码二>>

cp_info {//常量表的通用结构,不同类型的常量表以此为基础各不相同
    u1 tag;
    u1 info[];
}

可以看出,常量的第一个字节表示了该常量的类型。

注:constant_pool_count的值为常量个数+1,并且常量池常量的索引从1开始!!!

下面为各类型的映射表:<<表一>>

Constant Type Value
CONSTANT_Class 7
CONSTANT_Fieldref 9
CONSTANT_Methodref 10
CONSTANT_InterfaceMethodref 11
CONSTANT_String 8
CONSTANT_Integer 3
CONSTANT_Float 4
CONSTANT_Long 5
CONSTANT_Double 6
CONSTANT_NameAndType 12
CONSTANT_Utf8 1
CONSTANT_MethodHandle 15
CONSTANT_MethodType 16
CONSTANT_InvokeDynamic 18

由上表可以看出,目前为止JVM 一共定义了14种类型的常量。

每个常量表的第一个字节表明了常量的类型,那么剩余的值则根据类型的不同表明了不同的含义,可能是一个直接值,也可能是一个对另一个常量的引用,那么不同类型的常量表定义如下:



<<代码三>>

CONSTANT_Utf8_info {//表示Utf8的常量
    u1 tag;// 值为 1
    u2 length;
    u1 bytes[length];
}

Constant_Utf8_info常量用来表示一个utf8字符串,其长度为可变长度,第一个字节的值固定为1(<<表一>>中Constant_Utf8(1)),后面两个字节表示了个字符串的字节长度length(而不是字符串的长度),然后后面紧跟着的length个字节就是字符串的字节码了。该常量被引用的频率颇高,如类名,方法名等常量都引用它。


<<代码四>>

CONSTANT_Class_info {//表示类或接口的常量
    u1 tag;//值为 7
    u2 name_index;//值为对Constant_Utf8_info常量的引用
}

Constant_Class_info常量用来表示一个类或者接口,一共包含三个字节,第一个字节的值固定为 7(<<表一>>中Constant_Class(7)),后两个字节的值为对常量池中另一个常量(Constant_Utf8_info)的索引,该Constant_Utf8_info常量的值应为JVM的内部二进制类或接口名(binary class or interface name下文详解)。


<<代码五>>

CONSTANT_Fieldref_info {//表示变量的常量
    u1 tag;//值为 9 <<表一>>中CONSTANT_Fieldref(9)
    u2 class_index; //值为对Constant_Class_info常量的索引
    u2 name_and_type_index; //值为CONSTANT_NameAndType_info常量的索引
}

CONSTANT_Methodref_info {//表示方法的常量
    u1 tag;//值为 10 <<表一>>中CONSTANT_Methodref(10)
    u2 class_index; //值为对Constant_Class_info常量的索引
    u2 name_and_type_index; //值为CONSTANT_NameAndType_info常量的索引
}

CONSTANT_InterfaceMethodref_info {//表示接口方法的常量
    u1 tag;//值为 11 <<表一>>中CONSTANT_InterfaceMethodref(11)
    u2 class_index; //值为对Constant_Class_info常量的索引
    u2 name_and_type_index; //值为CONSTANT_NameAndType_info常量的索引
}

代码五中的三个非常相似的常量结构分别表示了变量,方法,接口方法,其中各个值得含义和大小已在注释中说明。其实很容易理解,比如一个方法,它属于哪个类(class_index),它的名字和类型(name_and_type)。


<<代码六>>

CONSTANT_String_info {//表示字符串的常量
    u1 tag;//值为 8 <<表一>>中CONSTANT_String (8)
    u2 string_index;
}

Constant_String_info表示了一个String类型的常量实例。一共占用三个字节,第一个字节固定为8,后两个字节为对Constant_Utf8_info常量的索引。


<<代码七>>

CONSTANT_Integer_info {//表示int类型数值的常量
    u1 tag;//值为 3 <<表一>>中CONSTANT_Integer (3)
    u4 bytes;
}

CONSTANT_Float_info {//表示float类型数值的常量
    u1 tag;//值为 4 <<表一>>中CONSTANT_Float (4)
    u4 bytes;
}

CONSTANT_Long_info {//表示long类型数值的常量
    u1 tag;//值为 5 <<表一>>中CONSTANT_Long (5)
    u4 high_bytes;
    u4 low_bytes;
}

CONSTANT_Double_info {//表示double类型数值的常量
    u1 tag;//值为 6 <<表一>>中CONSTANT_Double (6)
    u4 high_bytes;
    u4 low_bytes;
}

上面四个常量结构分别表示int, float, long,double类型的常量,比较直观,不多赘述。


<<代码八>>

CONSTANT_NameAndType_info {//用来表示变量,方法名字和类型的常量
    u1 tag;//值为 12 <<表一>>中CONSTANT_NameAndType (12)
    u2 name_index;//值为对Constant_Utf8_info常量的引用
    u2 descriptor_index;//值为对Constant_Utf8_info常量的引用
}

Constant_NameAndType_info用来表示变量或者方法的名字和类型的常量,该常量不包含该变量或方法的所属类或接口的引用,主要用来被Constant_Method_info,Constant_Field_info等常量使用。该常量一共包含五个字节,第一个固定为12,第二三个的值为对Constant_Utf8_info常量的引用,该Constant_Utf8_info常量的值应为变量或方法的有效的非限定名( unqualified name 下文详解),第四五的值为对Constant_Utf8_info常量的引用,该Constant_Utf8_info常量的值应为有效的变量或方法的描述符(field descriptor,method descriptor下文详解)。


<<代码九>>

CONSTANT_MethodHandle_info {//用来表示方法句柄的常量
    u1 tag;//值为 15 <<表一>>中CONSTANT_MethodHandle (15)
    u1 reference_kind;//引用类型,值为0-9,表明了该句柄的字节码行为
    u2 reference_index;//引用索引
}

Constant_MethodHandle_info常量用来表示方法句柄,第一个字节固定为15,第二个字节的值为0-9,分别表明了该句柄的不同字节码行为,其值的描述见<<表二>>,最后两个字节为对常量池中某常量的引用,但具体引用那种常量由reference_kind而定。

   a,如果reference_kind的值为1 (REF_getField), 2 (REF_getStatic), 3 (REF_putField), 或 4 (REF_putStatic),那么reference_index的值为对Constant_Fieldref_info常量的引用,表示该句柄用于的变量。

   b,如果reference_kind的值为5 (REF_invokeVirtual), 6 (REF_invokeStatic), 7 (REF_invokeSpecial), or 8 (REF_newInvokeSpecial),那么reference_index的值为对Constant_Methodref_info常量的引用,表示该句柄所用与的方法或构造器。

   c,如果reference_kind 的值是9(REF_invokeInterface)时,reference_index的值必须为对Constant_InterfaceMethodref_info常量的引用,表示该句柄所用与的接口方法。

   d,如果reference_kind 的值是5 (REF_invokeVirtual), 6 (REF_invokeStatic), 7 (REF_invokeSpecial), or 9 (REF_invokeInterface)时,方法的名字一定不可以为<init>或<clinit>。

   e,如果reference_kind的值是8 (REF_newInvokeSpecial)时,方法的名字必须为<init>。


<<表二>>

Kind Description Interpretation
1 REF_getField getfield C.f:T
2 REF_getStatic getstatic C.f:T
3 REF_putField putfield C.f:T
4 REF_putStatic putstatic C.f:T
5 REF_invokeVirtual invokevirtual C.m:(A*)T
6 REF_invokeStatic invokestatic C.m:(A*)T
7 REF_invokeSpecial invokespecial C.m:(A*)T
8 REF_newInvokeSpecial new C; dup; invokespecial C.<init>:(A*)void
9 REF_invokeInterface invokeinterface C.m:(A*)T


<<代码十>>

CONSTANT_MethodType_info {//用来表示方法类型的常量
    u1 tag;//值为 16,<<表一>>中CONSTANT_MethodType (16)
    u2 descriptor_index;//值为对Constant_Utf8_info常量的索引,表示方法的描述符(下文详解)
}

Constant_MethodType_info常量用来表示方法类型的常量,描述很直观,不多赘述。


<<代码十一>>

CONSTANT_InvokeDynamic_info {//该常量用来指定invokedynamic指令的引导方法。。。
    u1 tag;//值为 18,<<表一>>中CONSTANT_InvokeDynamic (18) 
    u2 bootstrap_method_attr_index;//值为对属性表BootstrapMethods的有效引用
    u2 name_and_type_index;//值为对Constant_NameAndType_info常量的引用
}

Constant_InvokeDynamic_info常量用来指定invokedynamic指令的引导方法,动态调用名称,调用的参数和返回值hi,以及一些列可选的引导方法使用的叫做静态参数的常量。


三,访问标志位

Class文件中紧跟在常量池后的访问标志位,一共占用两个字节,也就是十六个bit位,每个bit位标记一种类的访问修饰符,如final,abstract,public等,现在JVM已经使用了其中的八个,其余八个保留位未来使用,并且必须置零。八个标志位映射如下表<<表三>>

Flag Name Value Interpretation
ACC_PUBLIC 0x0001 Declared public; may be accessed from outside its package.
ACC_FINAL 0x0010 Declared final; no subclasses allowed.
ACC_SUPER 0x0020 Treat superclass methods specially when invoked by the invokespecial instruction.
ACC_INTERFACE 0x0200 Is an interface, not a class.
ACC_ABSTRACT 0x0400 Declared abstract; must not be instantiated.
ACC_SYNTHETIC 0x1000 Declared synthetic; not present in the source code.
ACC_ANNOTATION 0x2000 Declared as an annotation type.
ACC_ENUM 0x4000 Declared as an enum type.

各个标志位间有一定的约束条件,如ACC_ANNOTATION置位时,ACC_INTERFACE 必须置位等。


四,类/父类/接口的描述

Class文件中紧跟在访问标志位后的是this_class, super_class, interface_count, interfaces[],分别用来表示该类,该类的直接父类(是直接父类哦),实现的接口数量,以及接口信息等。

A,其中this_class用来表示该类的信息,其值为对常量池中Constant_Class_info常量的引用。

B,super_class用来表示该类的直接父类父类信息,其值要么是0要么是对常量池中Constant_Class_info常量的引用。但有以下几点需要注意:

1)如果其值为对常量池Constant_Class_info 的引用,那么被引用的类(直接父类)的ACC_FINAL访问标志位必须不能被置位。

2)如果其值为0,那么该类必须,一定是Object类

3)接口的super_class值必须是对常量池Constant_Class_info常量的引用,并且该常量表示的是Object类。

C,interface_count表明了该类实现接口的数量,而interfaces[]表,则表明了所有的实现接口。其中每一个interface的值占用两个字节,总共占用interface_count * 2个字节,都是对常量池Constant_Class_info 常量的引用。


五,变量表(字段表)

接下来紧跟在接口定义后面的是变量个数和变量表。该表结构用来描述类中的某个变量定义,不会同时有两个名字和描述符都相同的变量。变量的结构描述结构如下<<代码十二>>

field_info {
    u2             access_flags;//访问标志位,跟常量池后用来修饰类的access_flag作用和用法一致
    u2             name_index;//变量名索引,对常量池CONSTANT_Utf8_info常量的索引
    u2             descriptor_index;//变量描述符索引,对常量池CONSTANT_Utf8_info常量的索引
    u2             attributes_count;//属性数量
    attribute_info attributes[attributes_count];//包含的属性
}

上面的结构便是Class文件中用来描述某个变量(实例变量,类变量等)的定义。前三个u2字节分别表明了变量的访问修饰符,名称和描述符(下文详解)。其中access_flag 映射如下表<<表四>>

Flag Name Value Interpretation
ACC_PUBLIC 0x0001 Declared public; may be accessed from outside its package.
ACC_PRIVATE 0x0002 Declared private; usable only within the defining class.
ACC_PROTECTED 0x0004 Declared protected; may be accessed within subclasses.
ACC_STATIC 0x0008 Declared static.
ACC_FINAL 0x0010 Declared final; never directly assigned to after object construction (JLS §17.5).
ACC_VOLATILE 0x0040 Declared volatile; cannot be cached.
ACC_TRANSIENT 0x0080 Declared transient; not written or read by a persistent object manager.
ACC_SYNTHETIC 0x1000 Declared synthetic; not present in the source code.
ACC_ENUM 0x4000 Declared as an element of an enum.

名称和描述符都是对常量池中Constant_Utf8_info常量的索引。以上三个U2可以描述一个没有初始值的变量定义了,如private static int i; 但是如果指定了private static int i = 1;那么则会用到名为ConstantValue的attribute_info结构,下文讲解attribute_info时详解。变量中的属性除了ConstantValue外还可能含有Synthetic, Signature , Deprecated, RuntimeVisibleAnnotations  RuntimeInvisibleAnnotations 等属性分别表示该变量是否为编译器合成的,变量的签名,是否为废弃的,运行时可见注解,运行时不可见注解。


六,方法表

Class文件中跟在变量表后面的是方法个数和方法表,该表结构表示一个方法的定义,其中也会包括实例初始化方法(instance initialization method, <init>),类和接口初始化方法(class or interface initialization method, <clinit>)。方法表的描述如下<<代码十三>>

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

该结构跟变量表的结构几乎完全相同,包括方法的访问标志位,名称索引,描述符索引等。下表为方法的访问标志位映射

<<表五>>

Flag Name Value Interpretation
ACC_PUBLIC 0x0001 Declared public; may be accessed from outside its package.
ACC_PRIVATE 0x0002 Declared private; accessible only within the defining class.
ACC_PROTECTED 0x0004 Declared protected; may be accessed within subclasses.
ACC_STATIC 0x0008 Declared static.
ACC_FINAL 0x0010 Declared final; must not be overridden (§5.4.5).
ACC_SYNCHRONIZED 0x0020 Declared synchronized; invocation is wrapped by a monitor use.
ACC_BRIDGE 0x0040 A bridge method, generated by the compiler.
ACC_VARARGS 0x0080 Declared with variable number of arguments.
ACC_NATIVE 0x0100 Declared native; implemented in a language other than Java.
ACC_ABSTRACT 0x0400 Declared abstract; no implementation is provided.
ACC_STRICT 0x0800 Declared strictfp; floating-point mode is FP-strict.
ACC_SYNTHETIC 0x1000 Declared synthetic; not present in the source code.

不同的是,方法中包含的属性种类跟变量中的属性种类有所不同,其中可能包含Code  Exceptions Synthetic  Signature  Deprecated  RuntimeVisibleAnnotations  RuntimeInvisibleAnnotations RuntimeVisibleParameterAnnotations  RuntimeInvisibleParameterAnnotations and AnnotationDefault。其中Code属性中包含了该方法的方法体(下文详解)。


七,属性表

到目前为止我们已经了解了字段表(变量表),方法表,常量池,访问标志位,类的继承等几乎全部类的信息在Class文件中的表达方式了。但是你肯定发现,在方法表中,我们只了解到了方法的名称,描述符,访问控制等信息,却没有方法体的详细描述。不过我们也提到了,方法的方法体是通过属性表来记录的。属性表的结构将在本小结进行较为详细的讲解。

你可能已经发现了,变量表(field_info)方法表(method_info)常量表(cp_info)等结构的顶级结构都是Class文件,换句话说,这些结构都是不可嵌套的。然而你也了解到了,我们接下来讲的属性表结构却是可以嵌套的,它可以存在在变量表,方法表结构之内,同样也可以有类级别的属性表。

属性表是一类相当灵活的结构,JVM定义了21种属性定义,每一种属性都有自己的结构和用途,有点类似常量池中的常量定义。21种属性中我们只挑选个别与与我们关系比较密切的讲解,其它属性看官可以用同样的分析方法自行研究了解。


<<代码十四>>

attribute_info {//属性表的基本结构,不同类型的属性表以此为基础各不相同
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u1 info[attribute_length];
}

以上代码描述了属性表的结构定义,前两个字节是对常量池中Constant_Utf8_info常量的索引,被索引的常量值为该属性的名字。中间四个字节是属性内容的字节长度,算下4个字节能最多表示多大?2的32次方?不是,虚拟机规范中规定一个方法不可超过65535个字节。最后的attribute_length 个字节则是属性的内容,如方法体字节码指令集合。

前面说了目前JVM预定义了21种属性,参照<<表六>>

Attribute
Java SE class file
ConstantValue
1.0.2 45.3
Code
1.0.2 45.3
StackMapTable
6 50.0
Exceptions
1.0.2 45.3
InnerClasses
1.1 45.3
EnclosingMethod
5.0 49.0
Synthetic
1.1 45.3
Signature
5.0 49.0
SourceFile
1.0.2 45.3
SourceDebugExtension
5.0 49.0
LineNumberTable
1.0.2 45.3
LocalVariableTable
1.0.2 45.3
LocalVariableTypeTable
5.0 49.0
Deprecated
1.1 45.3
RuntimeVisibleAnnotations
5.0 49.0
RuntimeInvisibleAnnotations
5.0 49.0
RuntimeVisibleParameterAnnotations
5.0 49.0
RuntimeInvisibleParameterAnnotations
5.0 49.0
AnnotationDefault
5.0 49.0
BootstrapMethods
7 51.0

上表可以看出每种属性的名字和初始版本信息,Java SE7中新加入了BootstrapMethods属性,invokedynamic指令等实现动态语言的特性。

限于篇幅,我们这里只分析Code,ContantValue属性。


一,ContantValue属性

<<代码十五>>定义了ContantValue属性表的结构

ConstantValue_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 constantvalue_index;
}

可以看出该属性是定长的表结构,总共有8个字节大小。前面讲过了前两部分用来表明属性的名字和大小,ContantValue属性表中的name-index索引的常量值固定为“ContantValue”。另外该属性只会出现在变量表(field_info)中,用来表示该变量的值。

constantvalue_index也是对常量池中某常量的索引,其索引的常量类型根据变量的类型不同而不同,如下表<<表七>>

Field Type Entry Type
long CONSTANT_Long
float CONSTANT_Float
double CONSTANT_Double
intshortcharbyteboolean CONSTANT_Integer
String CONSTANT_String


二,Code属性

相比ConstantValue属性,Code属性相对复杂些,其结构定义如下<<代码十六>>

Code_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 max_stack;
    u2 max_locals;
    u4 code_length;
    u1 code[code_length];
    u2 exception_table_length;
    {   u2 start_pc;
        u2 end_pc;
        u2 handler_pc;
        u2 catch_type;
    } exception_table[exception_table_length];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

前两部分与ConstantValue属性表一样,表示名字索引和大小,不同的是被索引的名字必须为“Code”。Code属性只可以出现在方法表(method_info)中,但是如果一个方法为abstract或者native的,那么其方法表不可以包含Code属性表。否则必须有且只有一个属性表。

    1) max_stack:表明方法执行的任意时刻该方法操作数栈的最大深度。

    2) max_locals:表明方法执行的任意时刻该方法的本地变量表中变量的最多个数。

    关于操作数栈,本地变量表等运行时内存的相关知识,下篇文章深入分析。

    3) code_length:顾名思义,表明了方法体的字节码大小。

    4) code[code_length]:这里便是所有方法体字节码的真正所在地了!!JVM规范对这块有很长篇幅的约束,如长度大于0小于65535等等已超出本文范围,不做深究,感兴趣可以查看http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html#jvms-4.9

接下来的两个字节exception_table_length,定义了方法中异常表的个数。异常表的结构JVM没有单独定义,而是直接定义在了Code属性表中,每个异常表表示一个异常处理块,从上面代码可以看出,每个异常表有4个U2字节:

    1) start_pc:异常处理块的开始字节码索引(code[code_length]中)取值范围是[0, end_pc).

    2) end_pc:异常处理块的结束字节码索引(code[code_length]中)取值范围是(start_pc, code_length).

这里有个有趣的地方,start_pic被定义为inclusive的,就是可以包含第start_pc个字节码, 而end_pc被定义为exclusive的,是不包含第end_pc个字节码的,这样就有一个问题,如果代码长度为65535,并且end_pc也是65535那么最后一个字节码指令就无法被异常处理块捕获处理。这是JVM设计中的一个BUG,规范中已经指出。(严谨程度可见一斑)

    3) handler_pc:异常处理代码的字节码索引(code[code_length]中)。

    5) catch_type:捕获异常的类型,常量池中constant_class_info常量的索引,如果是0则捕获所有异常。

异常表后面是另一个属性表的信息了。在Code属性表中的属性表(可见属性表的灵活性了吧)可以是LineNumberTable ,LocalVariableTable  ,LocalVariableTypeTable ,and StackMapTable  中的一个或多个,主要提供IDE调试功能用的。这里我们就不再分析。


八,定义

到此为止我们整个Class文件结构已经分析的差不多了,相信如果你从头认真阅读后会有很大收获的。但是我们上面还有一个问题没有弄明白就是binary class or interface name, unqualified name,descriptor有什么区别和意义。

1)binary class or interface name,在Class文件中一个类或接口的名字通常都是全限定名(包名+类名),这就称作binary names。如java.lang.Thread。但是由于当年ASCII中点号(.)常被用来表示某些特用意义,因此Java中用斜杠(/)来代替了它,就变成了java/lang/Thread。这就是binary class。

2)unqualified name,Class文件中变量,方法的名字以非限定名的形式保存的,简单讲就是单纯的变量名或方法名,是不能包含./[;等ASCII字符的。但有个例外<init><clinit>,前者是实例初始化方法,后者是类初始化方法。

3)descriptor,用来描述变量或方法类型的字符串。即用一个或多个简单的字符来表达Java中的不同类型,其对应表如下<<表八>>

BaseType Character Type Interpretation
B byte signed byte
C char Unicode character code point in the Basic Multilingual Plane, encoded with UTF-16
D double double-precision floating-point value
F float single-precision floating-point value
I int integer
J long long integer
L ClassName ; reference an instance of class ClassName
S short signed short
Z boolean true or false
[ reference one array dimension

对于一个int类型的变量其descriptor就是 I

对于一个Object类型的变量其descriptor就是Ljava/lang/Object.

对于一个double[][]变量其descriptor就是[[[D

不过对于方法来说稍微复杂点,descriptor是按“(参数列表)返回值”的顺序描述的

如Object m(int i, double d, Thread t){}方法定义的descriptor就是(IDLjava/lang/Thread)Ljava/lang/Object。

好了到此我们的Class文件结构理论已经完全分析完成,不过没有例子检验下我们的分析会不会太过分了。


九,实例分析

废话不说上实例,我们从字节码一个一个的来推源码,走起。。。上字节码:

0000000: cafe babe 0000 0034 0016 0a00 0500 1209  .......4........
0000010: 0003 0013 0700 140a 0003 0012 0700 1501  ................
0000020: 0003 6f62 6a01 0012 4c6a 6176 612f 6c61  ..obj...Ljava/la
0000030: 6e67 2f4f 626a 6563 743b 0100 0669 7661  ng/Object;...iva
0000040: 6c75 6501 0001 4901 0006 3c69 6e69 743e  lue...I...<init>
0000050: 0100 0328 2956 0100 0443 6f64 6501 000f  ...()V...Code...
0000060: 4c69 6e65 4e75 6d62 6572 5461 626c 6501  LineNumberTable.
0000070: 0004 6d61 696e 0100 1628 5b4c 6a61 7661  ..main...([Ljava
0000080: 2f6c 616e 672f 5374 7269 6e67 3b29 5601  /lang/String;)V.
0000090: 000a 536f 7572 6365 4669 6c65 0100 0d4a  ..SourceFile...J
00000a0: 766d 436c 6173 732e 6a61 7661 0c00 0a00  vmClass.java....
00000b0: 0b0c 0008 0009 0100 084a 766d 436c 6173  .........JvmClas
00000c0: 7301 0010 6a61 7661 2f6c 616e 672f 4f62  s...java/lang/Ob
00000d0: 6a65 6374 0021 0003 0005 0000 0002 0002  ject.!..........
00000e0: 0006 0007 0000 0002 0008 0009 0000 0002  ................
00000f0: 0001 000a 000b 0001 000c 0000 0027 0002  .............‘..
0000100: 0001 0000 000b 2ab7 0001 2a10 17b5 0002  ......*...*.....
0000110: b100 0000 0100 0d00 0000 0a00 0200 0000  ................
0000120: 0100 0400 0300 0900 0e00 0f00 0100 0c00  ................
0000130: 0000 3400 0300 0200 0000 14bb 0003 59b7  ..4...........Y.
0000140: 0004 4c2b 59b4 0002 102d 60b5 0002 b100  ..L+Y....-`.....
0000150: 0000 0100 0d00 0000 0e00 0300 0000 0600  ................
0000160: 0800 0700 1300 0800 0100 1000 0000 0200  ................
0000170: 110a                                     ..

上面的代码为某个类的Class文件的十六进制形式。每行有16个字节。好了我们按照规则解读,前八个字节跳过,从第九个字节开始的两个字节是常量池大小, 22,说明有21个常量(原因见上文)。为了节省版面我们只分析前两个常量池中的常量及其值:

#1 0a00 0500 12 
#2 0900 0300 13

我们知道常量表的第一个字节表明了常量的类型,所以前两个常量表的类型分别是10(constant_method_ref)和9(constant_field_ref)。类型断定那么该常量表的结构也就都断定了,后面的两个字节是对class常量的索引,索引值分别为5和3,也就是第5和第3个常量。再后面两个字节是对NameAndType常量的索引,索引值分别为18和19,也就是第18和19两个常量。然后在查找3,5,18,19个常量以此类推就可以推出所有常量的值了。我们不多赘述。

常量池完了是this_class, super_class, interfaces我们跳过,直奔field_info,我已经计算出了field_info的起始位置,直接列出:

0002 0002 0006 0007 0000 0002 0008 0009 0000 //

我们知道field_info前的两个字节是变量个数,0002也就是2个变量,接下来就进入第一个变量表了,变量表的前两个字节是访问符,0002,对照<<表四>>可知是private,接下来的两个U2字节分别是名字常量索引和描述符常量索引,索引值分别是6和7,查找常量池发现分别是obj和Ljava/lang/Object,再接下来的两个字节是属性个数,0000说明没有属性。这样第一个变量我们就知道它的定义如下:

private Object obj;

同样分析第二个变量:

private int ivalue = 23;

变量表分析完了下面是方法表:

0002 0001 000a 000b 0001 000c 0000 0027 0002 
0001 0000 000b 2ab7 0001 2a10 17b5 0002 b100 00

前两个字节还是方法个数,0002,说明两个方法,接下来进入方法表,方法表前两个字节是方法的访问修饰符,0001查看<<表五>>可知是public的。接下来的两个U2字节分别是名字常量索引和描述符常量索引,索引值分别是10(000a)和11(000b),查找常量池发现分别是<init>和()V。接着后面两个字节是属性表个数,0001,说明有一个属性,进入属性表,前两个字节是属性名的索引,000c查看常量池是“Code”,说明是Code属性,Code属性表的3,4,5,6四个字节是属性表的字节大小,0000 0027=39。说明有39个字节。然后是0002(2)最大栈深,0001(1)最大本地表量表,以及0000 000b=11,表明有11个字节码是真正的方法体。

2ab7 0001 2a10 17b5 0002 b1

我们先不理会方法体的内容,最后的0000表明该方法没有异常处理块。

到此我们可大致写出该方法的定义了

void <init>(){
    //....
}

这个方法就是实例初始化方法,也就是默认无参构造器。( 以上分析只是为了了解Class文件结构,JDK提供了一个分析字节码的工具javap,可以快速简单的分析字节码)

好了到此为止所有分析就算完成了。希望你会有所收获。


文献

http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/  (The Java Virtual Mathine Specification, Java SE 7 Edition.)

JVM 之 Class文件结构

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