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Class類文件結構淺析

2019-11-11 04:23:03
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供稿:網(wǎng)友
前言      class文件時java虛擬機執(zhí)行引擎的數(shù)據(jù)入口,也是java技術體系的基礎支柱之一,了解class文件的結構對后面進一步了解虛擬機執(zhí)行引擎有很重要的意義。概要:    class文件是一組以八位字節(jié)為基礎單位的二進制流,各個數(shù)據(jù)項目嚴格按照順序緊湊地排列在class文件中,中間沒有添加任何分隔符,這使得整個class文件中存儲的內(nèi)容幾乎全部都是程序運行的必要數(shù)據(jù),沒有空隙存在。當需要占用8位字節(jié)以上的空間數(shù)據(jù)時,則會按照高位在前的方式分割成若干個8位字節(jié)進行存儲。class文件結構介紹:    根據(jù)java虛擬機規(guī)范的規(guī)定,class文件格式采用一種類似c語言結構體的偽結構來存儲,這種偽結構中只有兩種數(shù)據(jù)類型:無符號數(shù)和表無符號數(shù):無符號數(shù)屬于基本的數(shù)據(jù)類型,以u1,u2,u4,u8來分別代表1個字節(jié),2個字節(jié),4個字節(jié)和8個字節(jié)的無符號數(shù),無符號數(shù)可以用來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值,或者按照utf-8編碼構成字符串值。表:表是由多個無符號數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項構成的復合數(shù)據(jù)類型,所有表都習慣性地以“_info“結尾。表用于描述有層次關系的復合結構的數(shù)據(jù),整個class文件本質(zhì)上就是一張表,它由下列數(shù)據(jù)項構成:[java] view plaincopy在CODE上查看代碼片ClassFile {      u4 magic;//魔數(shù)(0xCAFEBABE)      u2 minor_version;//次版本號      u2 major_version;//主版本號      u2 constant_pool_count;//常量池容量計數(shù)值      cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池      u2 access_flags;//訪問標志      u2 this_class;//類索引      u2 super_class;//父類索引      u2 interfaces_count;//接口無論是無符號數(shù)還是表,當需要描述的同一類型但是數(shù)量不定的多個數(shù)據(jù)時,經(jīng)常會使用一個前置的容量計數(shù)器加若干個連續(xù)的數(shù)據(jù)項的形式(比如說一個類可能實現(xiàn)了多個接口,這時候需要一個計數(shù)器來指定接口的數(shù)量),這時候稱這一系列連續(xù)的某一類型的數(shù)據(jù)為某一類型的集合。上面的文件格式是固定的,每個數(shù)據(jù)項的順序,占用字節(jié)數(shù)都是被嚴格限定的,不允許改變。下面依次介紹每個數(shù)據(jù)項的含義:1.魔數(shù):class文件頭四個字節(jié)代表魔數(shù),它的作用是用于確定該文件是一個能被虛擬機接受的class文件,其值為0xCAFEBABE.2.版本:魔數(shù)后四個字節(jié)代表class文件的版本號,其中前兩個字節(jié)代表次版本號,后兩個字節(jié)代表主版本號。高版本的jdk能向下兼容以前版本的class文件,但不能運行以后版本的class文件。3.常量池:主版本之后的是常量池入口,常量池是class文件結構中與其他項目關聯(lián)最多的數(shù)據(jù)類型,也是占用class文件空間最大的數(shù)據(jù)項目之一,同時還是在class文件中第一個出現(xiàn)的表類型的數(shù)據(jù)項目。因為常量池中常量數(shù)量不固定,所以在常量池入口前需要放置一個計數(shù)器,占用兩個字節(jié)。比如如果該位置的值為0x0016,那就代表常量池中有21項常量(從1開始),第0項空出來是為了滿足后面某些指向常量池的索引值的數(shù)據(jù)在特定情況下需要表達”不引用任何一個常量池項目“的意思,這種情況就可以把索引置為0來表示。class文件結構只有常量池的容量計數(shù)器是從1開始的,其他集合類型都是從0開始的。    常量池中主要存放兩類數(shù)據(jù):字面量和符號引用;(1)字面量:比如文本字符串,被聲明為final的常量值等。(2)符號引用:包括類和接口的權限定名,字段的名稱和描述符,方法的名稱和描述符。注:class文件并不保存各個方法和字段的最終內(nèi)存布局信息,因此這些字段和方法的符號引用不經(jīng)過轉(zhuǎn)換的話是無法直接被虛擬機使用的,當虛擬機運行時,需要從常量池中獲得對應的符號引用,再在類創(chuàng)建時或者運行時解析并翻譯到具體的內(nèi)存地址上(執(zhí)行引擎在類加載的解析階段完成符號引用到直接引用的轉(zhuǎn)化)。常量池中的每一項常量都是一個表,每種表都有一個特點,那就是第一位是一個u1類型的標志位(tag,取值為1-12,缺少2),代表當前這個常量屬于哪種常量類型,所有常量類型所代表的的含義如下:而這每一種類型都有自己的結構,具體如下:4.訪問標志(access_flags):常量池之后,緊接著的兩個字節(jié)代表訪問標志,這個標志用于識別一些類或者接口層次的訪問信息(比如這個class是否是public是否是final等等),具體如下:5.類索引,父類索引,接口索引:類索引和父類索引都是一個u2類型的數(shù)據(jù),而接口索引集合時一組u2類型的數(shù)據(jù)的集合,class文件中由這三項數(shù)據(jù)來確定這個類的繼承關系。類索引用于確定這個類的全限定名,父類索引用于確定這個類的父類的全限定名(除了kava.lang.Object以外所有類的父類索引均不為0)。接口索引集合用來描述這個類實現(xiàn)了哪些接口。    類索引和父類索引用兩個u2類型的索引值表示,它們各自指向一個類型為CONSTANT_Class_info的類描述符常量,通過CONSTANT_Class_info類型的常量中的索引值可以找到定義在CONSTANT_Utf8_info類型的常量中的全限定名字符串。6.字段表集合:字段表集合用于描述接口或者類中聲明的變量。字段包括了類級變量或者實例級變量,但是不包括方法內(nèi)部聲明的變量。其結構如下:首先兩個字節(jié)是訪問符,這跟類中的access_flags非常類似,都是u2數(shù)據(jù)類型,其中可以設置的標志位的含義如下:其次是name_index,這是一個指向常量池的引用,代表字段的簡單名稱(指沒有類型和參數(shù)修飾的方法或者字段名稱);緊接著兩個字節(jié)是descriptor_index,字段方法描述符。描述符的作用是用來描述字段的數(shù)據(jù)類型、方法的參數(shù)列表(包括數(shù)量,類型以及順序)和返回值。根據(jù)規(guī)則,基本數(shù)據(jù)類型及代表無返回值的void類型都用一個大寫字符來表示,而對象類型則用字符L加對象的全限定名來表示。對于數(shù)組類型,每一維度會使用‘[’字符來表示,比如定義java.lang.String[][]類型的二維數(shù)組,將被記錄為[[Ljava/lang/String,而整型數(shù)組則標記為[I。用描述符來描述方法時,按照縣參數(shù)列表,后返回值的順序,參數(shù)列表按照參數(shù)的嚴格順序放在一組小括號”()“之內(nèi)。比如void func(),描述符為()V,void foo(int[] a,cha b),描述為([IC)V.描述符之后是屬性表集合(attributes,當然之前是屬性表計數(shù)器),它用于存儲一些額外的信息。7.方法表集合:內(nèi)容跟屬性表集合基本一致,下面是其結構:但是access_flags訪問標志與字段表是有區(qū)別的:另外,方法里的java代碼,經(jīng)過javac編譯器編譯成字節(jié)碼指令后,將存放在方法的屬性表集合(attributes)中的一個名為code的屬性里面.8.屬性表集合:在class文件、字段表、方法表中都可以攜帶字節(jié)的屬性表集合,用于描述某些場景專有的信息。屬性表中的數(shù)據(jù)項目不需要有嚴格的順序,java虛擬機在運行時會自動的忽略掉不認識的屬性,其中系統(tǒng)預定義了9種虛擬機應該識別的屬性,如下:每一種屬性的名稱都是引用的常量池中的常量,屬性值的結構可以自定義,但是需要符合下面的結構:重點介紹下Code屬性。Code屬性:java程序方法體里面的代碼經(jīng)過javac編譯器處理后,最終變?yōu)樽止?jié)碼指令存儲在code屬性中,code屬性出現(xiàn)在方法表的屬性集合中,并非所有方法表都必須有code屬性,比如抽象方法,code屬性結構如下:首先attribute_name_index是一項指向常量池的引用(CONSTANT_Utf8_info),值為Code,它代表屬性名稱;attribute_length代表屬性值的長度;max_stack代表操作數(shù)棧的最大深度,在方法執(zhí)行的任意時刻,操作數(shù)棧都不會超過這個深度,虛擬機運行的時候?qū)⒏鶕?jù)這個值來分配棧幀中的操作數(shù)棧深度。緊接著max_locals代表局部變量表所需的存儲空間。這里需要注意的是,max_locals的單位是slot,slot即槽,是虛擬機為局部變量分配內(nèi)存所使用的最小單位。基本數(shù)據(jù)類型除了double和long都占用1slot,double和long占用2slot,另外reference和returnAddress占1slot;code_length和code用來存儲java源程序編譯后生成的字節(jié)碼指令。


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