Java

Java类文件结构

1 简介

Class文件采用类C语言结构体的伪结构存储数据，这种结构包含两种数据类型：无符号数和表

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

1.1 无符号数

属于基本数据类型，以u1、u2、u4、u8代表1个字节、2个字节、4个字节、8个字节的无符号数

1.2 表

由多个无符号数或其它表作为数据项构成的复合数据类型，所以表以 _info 结尾

注：
Class结构中没有任何分隔符号，数据存储的字节序都是严格限定，不允许改变

2 魔数（magic）

每个Class文件前4个字节代表魔数（magic number），用来进行身份的识别（通过魔数区分文件类型），Java中魔数固定为 0xCAFEBABE

3 版本（version）

3.1 次版本号（minor_version）

第5个和第6个字节代表次版本号

3.2 主版本号（major_version）

第7个和第8个字节代表主版本号，Java的主版本号从45开始，每次升级大版本将对主版本号加1，高版本兼容低版本。

编译器版本	主版本号
1.1	45
1.2	46
1.3	47
1.4	48
5.0	49
6	50
7	51
8	52
9	53
10	54
11	55
12	56
13	57

4 常量池（constant pool）

紧接着主次版本号之后是常量池。由于常量池数量不固定，所以2个字节的constant_pool_count来代表常量池的大小。容器的计数从1开始，0代表是不引用任何常量池。常量池主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References），包括：

类和接口全限定名
字段名称和描述符
方法名称和描述符

常量池中的每一项都是一个表（info），这些表的第一位为u1类型的标志位（tag），代表这个常量属于哪种类型

类型	标志	描述
CONSTANT_Utf8	1	UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer	3	整型字面量
CONSTANT_Float	4	浮点型字面量
CONSTANT_Long	5	长整型字面量
CONSTANT_Double	6	双精度浮点型字面量
CONSTANT_Class	7	类或接口的符号引用
CONSTANT_String	8	字符串类型的符号引用
CONSTANT_Fieldref	9	字段类型的符号引用
CONSTANT_Methodref	10	类中方法的符号引用
CONSTANT_InterfaceMethodref	11	接口中方法的符号引用
CONSTANT_NameAndType	12	字段或方法的部分符号引用
CONSTANT_MethodHandle	15	方法句柄
CONSTANT_MethodType	16	方法类型
CONSTANT_Dynamic	17	动态计算常量
CONSTANT_InvokeDynamic	18	动态方法调用点
CONSTANT_Module	19	一个模块
CONSTANT_Package	20	一个模块中开放或导出的包

4.1 CONSTANT_Utf8_info

CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag;
    u2 length;
    u1 bytes[length];
}

tag：固定值为1
length：代表UTF8字符串的长度（单位字节）
bytes：存放UTF8字符串的内容

4.2 CONSTANT_Integer_info

CONSTANT_Integer_info {
    u1 tag;
    u4 bytes;
}

tag：固定值3
bytes：按照高位在前存储int值

4.3 CONSTANT_Float_info

CONSTANT_Float_info {
    u1 tag;
    u4 bytes;
}

tag：固定值4
bytes：按照高位在前存储float值

4.4 CONSTANT_Long_info

CONSTANT_Long_info {
    u1 tag;
    u4 high_bytes;
    u4 low_bytes;
}

tag：固定值5
bytes：按照高位在前存储long值

4.5 CONSTANT_Double_info

CONSTANT_Double_info {
    u1 tag;
    u4 high_bytes;
    u4 low_bytes;
}

tag：固定值6
bytes：按照高位在前存储double值

4.6 CONSTANT_Class_info

CONSTANT_Class_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

tag：固定值为7
name_index：指向常量项索引，表示类全限定名

4.7 CONSTANT_String_info

CONSTANT_String_info {
    u1 tag;
    u2 string_index;
}

tag：固定值为8
string_index：指向字符串字面量的索引

4.8 CONSTANT_Fieldref_info

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

tag：固定值9
class_index：指向声明方法的接口索引项，类型为CONSTANT_Class_info
name_and_type_index：指向名称及类型的索引项，类型为CONSTANT_NameAndType_info

4.9 CONSTAONT_Methodref_info

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

tag：固定值10
class_index：指向声明方法的接口索引项，类型为CONSTANT_Class_info
name_and_type_index：指向名称及类型的索引项，类型为CONSTANT_NameAndType_info

4.10 CONSTANT_InterfaceMethodref_info

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

tag：固定值11
class_index：指向声明方法的接口索引项，类型为CONSTANT_Class_info
name_and_type_index：指向名称及类型的索引项，类型为CONSTANT_NameAndType_info

4.11 CONSTANT_NameAndType_info

CONSTANT_NameAndType_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
    u2 descriptor_index;
}

tag：固定值12
name_index：字段或方法名的常量项的索引
descriptor_index：类型描述，表示方法签名或字段的类型

类型的字符串表示方法

字符串	类型
B	byte
D	double
I	int
S	short
V	void
C	char
F	float
J	long
Z	boolean
L;	对象
[	数组

注：
1）对于对象类型，以L + 类全限定名 + 分号（;），例如：Ljava/lang/Object; 表示类 java.lang.Object
2）对于数组类型，以左中括号（[）作为标记，例如：String二维数组，使用 [[Ljava.lang.String; 表示

4.12 CONSTANT_MethodHandle_info

CONSTANT_MethodHandle_info {
    u1 tag;
    u1 reference_kind;
    u2 reference_index;
}

tag：固定值15
reference_kind：值为1至9之间，表示方法句柄的类型
reference_index：值为常量池的有效索引

4.13 CONSTANT_Dynamic_info

CONSTANT_Dynamic_info {
    u1 tag;
    u2 bootstrap_method_attr_index;
    u2 name_and_type_index;
}

tag：固定值17
bootstrap_method_attr_index：值为当前Class文件引导方法表的bootstrapmethods[]数组的索引
name_and_type_index：指向常量池的索引，表示方法名和方法描述（类型为CONSTANT_NameAndType_info结构）

4.14 CONSTANT_InvokeDynamic_info

CONSTANT_InvokeDynamic_info {
    u1 tag;
    u2 bootstrap_method_attr_index;
    u2 name_and_type_index;
}

tag：固定值18
bootstrap_method_attr_index：值为当前Class文件引导方法表的bootstrapmethods[]数组的索引
name_and_type_index：指向常量池的索引，表示方法名和方法描述（类型为CONSTANT_NameAndType_info结构）

4.15 CONSTANT_Module_info

CONSTANT_Module_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

tag：固定值19
name_index：指向常量池的索引，表示模块名

4.16 CONSTANT_Package_info

CONSTANT_Package_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

tag：固定值20
name_index：指向常量池的索引，表示包名称

5 访问标志（acccess_flags）

紧跟跟常量池之后的2个字节代表访问标志，用来识别类或接口的访问信息，包括：Class是类还是接口，是否是public类型，是否是abstract类型，是否被声明为final等，access_flags一共有16个标志位可以用（最大值0xFFFF），当前只定义了9个，没有使用的标志位要求一律为零

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	是否为public类型
ACC_FINAL	0x0010	是否声明为final
ACC_SUPER	0x0020	是否使用增强的方法调用父类方法
ACC_INTERFACE	0x0200	是否为接口
ACC_ABSTRACT	0x0400	是否为抽象类
ACC_SYNTHETIC	0x1000	是否是编译器产生的类，没有源码对应
ACC_ANNOTATION	0x2000	是否是注解
ACC_ENUM	0x4000	是否是枚举
ACC_MODULE	0x8000	是否是模块

6 类（this_class）、父类（super_class）、接口（interfaces）

类索引、父类索引、接口索引定义如下：

u2    this_class;
u2    super_class;
u2    interfaces_count;
u2    interfaces[interfaces_count];

类索引、父类索引、接口索引均使用u2类型的索引值，指向CONSTAINT_Class_info，并找到全限定名字符串。interfaces_count代表实现接口的数量，如果没有实现接口则为0。

7 字段（fields）

在接口描述之后，是类的字段信息，由于一个类会有多个字段，所以需要指出字段的个数，字段定义如下：

u2             fields_count;
field_info     fields[fields_count];

字段的数量由u2类型的fields_count决定，每一个字段均为field_info结构，field_info结构如下：

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

access_flags
访问标志和类的访问标志高度类似，具体如下

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	是否是public
ACC_PRIVATE	0x0010	是否是private
ACC_PROTECTED	0x0020	是否是protected
ACC_STATIC	0x0200	是否是static
ACC_FINAL	0x0400	是否是final
ACC_VOLATILE	0x1000	是否是volatile
ACC_TRANSIENT	0x2000	是否是transient
ACC_SYNTHETIC	0x4000	是否是编译器自动产生
ACC_ENUM	0x8000	是否是枚举

name_index：2个字节的整数，表示字段的名称索引，指向常量池中的CONSTANT_Utf8
descriptor_index：2个字节的整数，表示字段的类型索引，指向常量池中的CONSTANT_Utf8，具体参见4.11
attributes_count：一个字段可以有一些属性，比如初始化值，注释信息等，属性的个数存放在attributes_count中
attributes：属性的具体内容存放在attributes数组中，当为常量属性时，结构为

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

attribute_name_index：指向常量池，字符串值为"ConstantValue"
attribute_length：4个字节组成，表示属性的长度
constantvalue_index：指向常量池，代表常量的值类型

8 方法（methods）

在字段之后，就是类的方法，方法的结构与字段相似，具体结构如下：

u2             methods_count;
method_info    methods[methods_count];

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

method_count：代表类中的方法个数
methods：代表方法的具体结构
access_flags：方法的访问标记

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	是否是public
ACC_PRIVATE	0x0002	是否是private
ACC_PROTECTED	0x0004	是否是protected
ACC_STATIC	0x0008	是否是static
ACC_FINAL	0x0010	是否是final
ACC_SYNCHRONIZED	0x0020	是否是synchronized方法
ACC_BRIDGE	0x0040	是否是编译器产生的桥接方法
ACC_VARARGS	0x0080	是否是可变参数方法
ACC_NATIVE	0x0100	是否是本地方法
ACC_ABSTRACT	0x0400	是否是抽象方法
ACC_STRICT	0x0800	是否是浮点模式为FP-strict
ACC_SYNTHETIC	0x1000	是否是编译器产生的方法，没有原码对应

name_index：方法的名称，指向常量池
descriptor_index：方法的签名，指向常量池
attributes_count：属性的个数
attributes：属性详情

属性	作用
Code	表示方法的字节码
StackMapTable	Code属性的描述属性，用于字节码变量类型验证
Exceptions	方法的异常信息
SourceFile	类文件的属性，表示生成这个类的源码
LineNumberTable	Code属性的描述属性，描述行号和字节码的对应关系
LocalVariableTable	Code属性的描述属性，描述函数局部变量表
BootstrapMethods	类文件的描述属性，存放类的引导方法，用于invokeDynamic

8.1 Code

方法的主要内容存放在属性中，在属性里面最重要的一个属性就是Code，Code存放着方法的字节码等信息，结构如下：

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;
    exception_info exception_table[exception_table_length];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}
exception_info {   
    u2 start_pc;
    u2 end_pc;
    u2 handler_pc;
    u2 catch_type;                            
}

attribute_name_index：常量池索引，固定值为"Code"
attribute_length：属性值的长度
max_stack：操作数栈的最大深度
max_locals：局部变量表所需的最大空间
code_length：字节码长度
code[code_length]：字节码内容
exception_table_length：异常表项数量
exception_table[exception_table_length]：异常表项内容
attribute_count：属性长度
attributes[attributes_count]：属性内容

code属性本身也包含更多信息，包括行号、局部变量，主要包括如下信息：

LineNumberTable
LocalVariableTable
StackMapTable

8.2 StackMapTable

StackMapTable中含有若干个栈映射帧（Stack Map Frame）的数据，不包含运行时所需要的信息，仅用作Class文件的类型校验，结构如下：

StackMapTable_attribute {
    u2              attribute_name_index;
    u4              attribute_length;
    u2              number_of_entries;
    stack_map_frame entries[number_of_entries];
}

union stack_map_frame {
    same_frame; 
    same_locals_1_stack_item_frame; 
    same_locals_1_stack_item_frame_extended;
    chop_frame;
    same_frame_extended;
    append_frame;
    full_frame;
}

每个栈映射帧是为了说明在一个特定的字节码偏移位置上，系统的数据类型是什么，包括局部变量表的类型和操作数栈的类型。

8.3 LineNumberTable

LineNumberTable用于记录字节码偏移量和行号的对应关系，结构如下：

LineNumberTable_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 line_number_table_length;
    line_number_info  line_number_table[line_number_table_length];
}

line_number_info {   
    u2 start_pc; 
    u2 line_number;	
}

8.4 LocalVariableTable

这个属性也叫局部变量表，记录了一个方法中所有的局部变量，结构如下：

LocalVariableTable_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 local_variable_table_length;
    local_variable_info local_variable_table[local_variable_table_length];         
}

local_variable_info {   
    u2 start_pc;
    u2 length;
    u2 name_index;                                    
    u2 index; 
}

附：

附1 属性

属性表（attribute_info）结构如下：

attrbiute_info {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u1 info[attribute_length];
}

每一个属性都必须有一个名称attribute_name_index，指向CONSTANT_Utf8_info常量，通过这个常量，可以确定该属性的info结构

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java jvm

Java类文件结构

https://blog.kolbe.net/archives/javaclass-lei-wen-jian-de-jie-gou

作者

kolbe

发布于

2021-09-17

更新于

2021-10-07

许可协议

CC BY 4.0

Java类文件结构

1 简介

1.1 无符号数

1.2 表

2 魔数（magic）

3 版本（version）

3.1 次版本号（minor_version）

3.2 主版本号（major_version）

4 常量池（constant pool）

4.1 CONSTANT_Utf8_info

4.2 CONSTANT_Integer_info

4.3 CONSTANT_Float_info

4.4 CONSTANT_Long_info

4.5 CONSTANT_Double_info

4.6 CONSTANT_Class_info

4.7 CONSTANT_String_info

4.8 CONSTANT_Fieldref_info

4.9 CONSTAONT_Methodref_info

4.10 CONSTANT_InterfaceMethodref_info

4.11 CONSTANT_NameAndType_info

4.12 CONSTANT_MethodHandle_info

4.13 CONSTANT_Dynamic_info

4.14 CONSTANT_InvokeDynamic_info

4.15 CONSTANT_Module_info

4.16 CONSTANT_Package_info

5 访问标志（acccess_flags）

6 类（this_class）、父类（super_class）、接口（interfaces）

7 字段（fields）

8 方法（methods）

8.1 Code

8.2 StackMapTable

8.3 LineNumberTable

8.4 LocalVariableTable

附：

附1 属性

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