Java Class文件详解

Java Class文件中包含以下信息:

ClassFile {

u4 magic;                                                                               //模数
u2 minor_version;                                                             //次版本号
u2 major_version;                                                             //主版本号
u2 constant_pool_count;                                                 //常量池大小
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];    //常量池
u2 access_flags;                                                                   //类和接口层次的访问标志(通过|运算得到)
u2 this_class;                                                                        //类索引(指向常量池中的类常量)
u2 super_class;                                                                   //父类索引(指向常量池中的类常量)
u2 interfaces_count;                                                         //接口索引计数器
u2 interfaces[interfaces_count];                                  //接口索引集合
u2 fields_count;                                                                  //字段数量计数器
field_info fields[fields_count];                                      //字段表集合
u2 methods_count;                                                           //方法数量计数器
method_info methods[methods_count];                  //方法表集合
u2 attributes_count;                                                          //属性个数
attribute_info attributes[attributes_count];             //属性表

}

1. 通过实例来看

public interface InterA {

    void interA();
} 
public interface InterB {
    String interB(int i);
}
public interface InterC {
    void interC();
}
public class Base implements InterA {

    private int baseInt;
    protected String baseString;

    public int getBaseInt() {
        return baseInt;
    }
    public void setBaseInt(int baseInt) {
        this.baseInt = baseInt;
    }

    @Override
    public void interA() {
        System.out.println("the interA in Base");
    }
} 

 public class Sub extends Base implements InterB, InterC {

    private int subInt;
    private static String subString;
    private static Object subObject;

    public int getSubInt() {
        return subInt;
    }
    public void setSubInt(int subInt) {
        this.subInt = subInt;
    }
    public static String getSubString() {
        return subString;
    }
    public static void setSubString(String subString) {
        Sub.subString = subString;
    }
    public static Object getSubObject() {
        return subObject;
    }
    public static void setSubObject(Object subObject) {
        Sub.subObject = subObject;
    }

    @Override
    public void interC() {
        System.out.println("the interC in Sub");
    }

    @Override
    public String interB(int i) {
        return "the interB in Sub";
    }
}

我们使用WinHex查看Sub类的.class文件:

2. 魔数

作用:确定该文件是否是虚拟机可接受的class文件。java的魔数统一为 0xCAFEBABE (来源于一款咖啡)。

区域:文件第0~3字节。

3. 版本号

作用:表示class文件的版本,由minorversion和majorversion组成。

区域:文件第4~7字节。

51代表,jdk为1.7.0

需要注意的是java版本号是从45开始的,大版本发布,主版本号+1.高版本的jdk能向下兼容以前版本的class文件,但不兼容以后版本的class文件。

4. 常量池

常量池的大小是不固定的,根据你的类中的常量的多少而定,所以在常量池的入口,放置了一个u2类型的表示常量池中常量个数的常量池容量计数器。计数器从1开始,第0位有特殊含义,表示指向常量池的索引值数据不引用任何一个常量池项目。池中的数据项就像数组一样是通过索引访问的。

我们可以清楚的看到,我们常量池中有63-1=62个常量。这些常量是什么呢?

要存放字面量Literal和符号引用Symbolic References。

字面量可能是文本字符串,或final的常量值。
符号引用包括以下:

  • 类或接口全限定名 Full Qualified Name
  • 字段名称和描述符 Descriptor
  • 方法名称和描述符

我们使用反编译工具查看一下:

 

E:\program\JVM\bin\com\gissky\clazz>javap -v Sub.class
Classfile /E:/program/JVM/bin/com/gissky/clazz/Sub.class
  Last modified 2015-2-22; size 1363 bytes
  MD5 checksum 2dc77c79e4790422407eb7092085883c
  Compiled from "Sub.java"
public class com.gissky.clazz.Sub extends com.gissky.clazz.Base implements com.gissky.clazz.InterB,com.gissky.clazz.InterC
  SourceFile: "Sub.java"
  minor version: 0
  major version: 51
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Class              #2             //  com/gissky/clazz/Sub    →类和接口的全限定名    
   #2 = Utf8               com/gissky/clazz/Sub
   #3 = Class              #4             //  com/gissky/clazz/Base
   #4 = Utf8               com/gissky/clazz/Base
   #5 = Class              #6             //  com/gissky/clazz/InterB
   #6 = Utf8               com/gissky/clazz/InterB
   #7 = Class              #8             //  com/gissky/clazz/InterC
   #8 = Utf8               com/gissky/clazz/InterC
   #9 = Utf8               subInt 
  #10 = Utf8              I 
  #11 = Utf8              subString
  #12 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #13 = Utf8               subObject
  #14 = Utf8               Ljava/lang/Object;
  #15 = Utf8               <init>
  #16 = Utf8               ()V
  #17 = Utf8               Code
  #18 = Methodref          #3.#19         //  com/gissky/clazz/Base."<init>":()V
  #19 = NameAndType        #15:#16        //  "<init>":()V
  #20 = Utf8               LineNumberTable
  #21 = Utf8               LocalVariableTable
  #22 = Utf8               this
  #23 = Utf8               Lcom/gissky/clazz/Sub;
  #24 = Utf8               getSubInt
  #25 = Utf8               ()I 
  #26 = Fieldref           #1.#27         //  com/gissky/clazz/Sub.subInt:I         → 类中字段的符号引用
  #27 = NameAndType        #9:#10         //  subInt:I                                           → 类中字段的部分符号引用之名称和类型
  #28 = Utf8               setSubInt
  #29 = Utf8               (I)V
  #30 = Utf8               getSubString
  #31 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #32 = Fieldref           #1.#33         //  com/gissky/clazz/Sub.subString:Ljava/lang/String;
  #33 = NameAndType        #11:#12        //  subString:Ljava/lang/String;
  #34 = Utf8               setSubString
  #35 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #36 = Utf8               getSubObject
  #37 = Utf8               ()Ljava/lang/Object;
  #38 = Fieldref           #1.#39         //  com/gissky/clazz/Sub.subObject:Ljava/lang/Object;
  #39 = NameAndType        #13:#14        //  subObject:Ljava/lang/Object;
  #40 = Utf8               setSubObject
  #41 = Utf8               (Ljava/lang/Object;)V
  #42 = Utf8               interC
  #43 = Fieldref           #44.#46        //  java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #44 = Class              #45            //  java/lang/System
  #45 = Utf8               java/lang/System
  #46 = NameAndType        #47:#48        //  out:Ljava/io/PrintStream;
  #47 = Utf8               out
  #48 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #49 = String             #50            //  the interC in Sub
  #50 = Utf8               the interC in Sub
  #51 = Methodref          #52.#54        //  java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #52 = Class              #53            //  java/io/PrintStream
  #53 = Utf8               java/io/PrintStream
  #54 = NameAndType        #55:#35        //  println:(Ljava/lang/String;)V
  #55 = Utf8               println
  #56 = Utf8               interB
  #57 = Utf8               (I)Ljava/lang/String;
  #58 = String             #59            //  the interB in Sub                                    →方法中用到的String常量
  #59 = Utf8               the interB in Sub
  #60 = Utf8               i
  #61 = Utf8               SourceFile
  #62 = Utf8               Sub.java

常量池中的项目类型如下:

  • CONSTANT_Utf8_info      tag标志位为1,   UTF-8编码的字符串
  • CONSTANT_Integer_info  tag标志位为3, 整形字面量
  • CONSTANT_Float_info     tag标志位为4, 浮点型字面量
  • CONSTANT_Long_info     tag标志位为5, 长整形字面量
  • CONSTANT_Double_info  tag标志位为6, 双精度字面量
  • CONSTANT_Class_info    tag标志位为7, 类或接口的符号引用
  • CONSTANT_String_info    tag标志位为8,字符串类型的字面量
  • CONSTANT_Fieldref_info  tag标志位为9,  字段的符号引用
  • CONSTANT_Methodref_info  tag标志位为10,类中方法的符号引用
  • CONSTANT_InterfaceMethodref_info tag标志位为11, 接口中方法的符号引用
  • CONSTANT_NameAndType_info tag 标志位为12,字段和方法的名称以及类型的符号引用

5. 类或接口访问标志

表示类或者接口方面的访问信息,比如Class表示的是类还是接口,是否为public、static、final等。,下面我们就来看看TestClass的访问标示。Class的访问标志值为0×0021:

根据前面说的各种访问标示的标志位,我们可以知道:0×0021=0×0001|0×0020 也即ACC_PUBLIC 和 ACC_SUPER为真,其中ACC_PUBLIC大家好理解,ACC_SUPER是jdk1.2之后编译的类都会带有的标志。

6. 类索引、父类索引与接口索引集合

Class文件中由这3项数据来确定类的继承关系。

类索引和父类索引都是指向常量池中的常量索引:

紧接着后面是一个接口的计数器和接口描述符:

7. 字段表集合

作用:描述接口或者类中声明的类变量以及实例变量,不包括方法中的局部变量。

紧接着接口索引集合之后的2字节是字段计数器:

表示我们类中有3个字段,这里便是subInt、subString、subObject 3个字段。紧接其后的是字段表,字段表结构为:

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

access_flags项的值是用于定义字段被访问权限和基础属性的掩码标志。取值范围如下表:

描述符标识字符含义:

V 表示特殊类型void。

对于数组类型,每一个维度将使用一个前置的”["字符来描述,如一个定义的"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"

父类中的字段不会出现在子类的字段表中。

8. 方法表集合

字段表集合结束后便是方法表集合。

作用:描述该类中的方法。

和字段表一样,使用一个u2类型的方法计数器,记录该类中方法的个数。

表示我们的类中有9个方法。

方法表的结构如下图所示

其中name_index和descriptor_index表示的是方法的名称和描述符,他们分别是指向常量池的索引。这里需要结解释一下方法的描述符,方法的描述符的结构为:(参数列表)返回值,比如public int instanceMethod(int param)的描述符为:(I)I,表示带有一个int类型参数且返回值也为int类型的方法,方法java.lang.String.toString()的描述符为"()Ljava/lang/String;",int IndexOf(char[] source,int sourceOffset,int sourceCount,char[] target int targetOffset,int targetCount,int fromIndex) 表示为([CII[CII)I。接下来就是属性数量以及属性表了,方法表和字段表虽然都有 属性数量和属性表,但是他们里面所包含的属性是不同。

如果父类方法在子类中没有被重写(@Override),方法表中就不会出现来自父类的方法信息。

9. 属性表集合

上面的方法表中我们就看到<init>方法有一个Code的属性。在本节我们将阐述这些属性:

Code属性:

该属性里主要存放由javac编译器处理后得到的字节码指令。

其中attribute_name_index指向常量池中值为Code的常量,attribute_length的长度表示Code属性表的长度(这里 需要注意的时候长度不包括attribute_name_index和attribute_length的6个字节的长度)。

max_stack表示最大栈深度,虚拟机在运行时根据这个值来分配栈帧中操作数的深度,而max_locals代表了局部变量表所需的存储空间。

max_locals的单位为slot,slot是虚拟机为局部变量分配内存的最小单元,在运行时,对于不超过32位类型的数据类型,比如 byte,char,int等占用1个slot,而double和Long这种64位的数据类型则需要分配2个slot,另外max_locals的值并不是所有局部变量所需要的内存数量之和,因为slot是可以重用的,当局部变量超过了它的作用域以后,局部变量所占用的slot就会被重用。方法参数、显示异常处理器的参数、方法体中定义的局部变量都要使用局部变量表来存放。

code_length代表了字节码指令的数量,而code表示的是字节码指令,从上图可以知道code的类型为u1,一个u1类型的取值为0x00-0xFF,对应的十进制为0-255,目前虚拟机规范已经定义了200多条指令。

exception_table_length以及exception_table分别代表方法对应的异常信息。

attributes_count和attribute_info分别表示了Code属性中的属性数量和属性表,从这里可以看出Class的文件结构中,属性表是很灵活的,它可以存在于Class文件,方法表,字段表以及Code属性中。

修改一下Sub中的InterB方法:

 @Override

    public int interB(int i){
        int x=0;
        try{
            x+=i;
            return x;
        }catch(Exception e){
            x=-1;
            return x;
        }finally{
            x=3;
        }
    }

大家不妨先猜一下这个函数的结果是什么?假如在try块中发生异常,结构又是什么?我相信对Java语言熟悉的朋友,肯定知道答案。em1

使用反编译工具查看:

public int interB(int);

    flags: ACC_PUBLIC

    Code:

      stack=2, locals=6, args_size=2

         0: iconst_0

         1: istore_2

         2: iload_2

         3: iload_1

         4: iadd

         5: istore_2

         6: iload_2

         7: istore        5

         9: iconst_3

        10: istore_2

        11: iload         5

        13: ireturn

        14: astore_3

        15: iconst_m1

        16: istore_2

        17: iload_2

        18: istore        5

        20: iconst_3

        21: istore_2

        22: iload         5

        24: ireturn

        25: astore        4

        27: iconst_3

        28: istore_2

        29: aload         4

        31: athrow

      Exception table:

         from    to   target    type

             2       9       14         Class java/lang/Exception

             2       9       25         any

            14      20    25         any

      LineNumberTable:

        line 35: 0

        line 37: 2

        line 38: 6

        line 43: 9

        line 38: 11

        line 39: 14

        line 40: 15

        line 41: 17

        line 43: 20

        line 41: 22

        line 42: 25

        line 43: 27

        line 44: 29

      LocalVariableTable:

        Start  Length  Slot  Name   Signature

               0      32        0      this         Lcom/gissky/clazz/Sub;

               0      32        1        i             I

               2      30        2        x            I

              15    10        3        e            Ljava/lang/Exception;

      StackMapTable: number_of_entries = 2

           frame_type = 255 /* full_frame */

          offset_delta = 14

          locals = [ class com/gissky/clazz/Sub, int, int ]

          stack = [ class java/lang/Exception ]

           frame_type = 74 /* same_locals_1_stack_item */

          stack = [ class java/lang/Throwable ]

}

从 args_size=2这条反编译代码,我们可以知道,在public int interB(int i)这个方法中有6个局部变量,2个参数,可是我们的函数中明明只有一个参数么……这是因为编译器会为每一个实例函数包括构造器添加一个参数this,在JVM调用该方法的时候会该形参传递一个实参—方法所在对象的自身。

Exception table:

from    to   target    type

2       9       14         Class java/lang/Exception

2       9       25         any

14      20    25         any

上表表头表示,当字节码在form行到to行(不包括to行)出现类型为type的异常,则转到第target行继续处理。

从方法的异常表中,我们可以看到这个函数有3条执行路径:

这里我们插入阐述一下LineNumberTable表的含义:它表示Java源码行号与字节码行号之间的对应关系。

对照上图,我们能清晰的看出这3条路径。

知道了该方法执行的3条路径,我们也就知道刚才我们的那个问题有3个答案:没有异常是为x+i;try块中出现Exception类型的错误时,返回-1;出现Exception以外的任何异常方法非正常结束,没有返回值。

LocalVariableTable:

Start  Length  Slot  Name   Signature

0      32        0      this         Lcom/gissky/clazz/Sub;

0      32        1        i             I

2      30        2        x            I

15    10        3        e            Ljava/lang/Exception;

LocalVariableTable表示局部变量表,描述方法中局部变量。

如果你对返回的答案能理解的话,那么我相信你也肯定知道,我们函数中只有4个参数,但max_locals却等于6。不懂的话仔细看一下Code中字节码的执行过程变可以理解了。

一个方法在执行时需要多大的局部变量空间在编译时期就知道了,方法执行期间不会改变局部变量表的大小。

Signature 属性:

该属性是在JDK1.5新增的。该属性可用于类、属性表和方法表结构的属性表中。使用泛型签名如果包含了类型变量(Type Variables)或参数化类型(Parameterized Types),则Signature 属性会为它记录泛型签名信息。当我们要泛型类中拿到泛型的实际类型的时候非常有用。

实例:

在使用Hibernate时,我习惯将为Dao层封装一个泛型基类,来放置一些通用的方法,而Hibernate有很多方法都要传递一个POJO的类型,然后进行查询,如load方法。我们构建这样的一个基类:

public abstract class BaseDaoImpl<T, PK extends Serializable> extends HibernateDaoSupport implements BaseDao<T, PK>

那么load中要使用的POJO类型便是T的实际类型。怎么来那倒这个属性呢?这里边要使用到Signature属性了。

public abstract class BaseDaoImpl<T, PK extends Serializable> extends HibernateDaoSupport implements BaseDao<T, PK> {

    private Class<T> entityClass;

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public BaseDaoImpl() {
        //class OrgDao extends BaseDaoImpl<Organization, String> implements OrgDao {}
        Class c = this.getClass(); //返回的是使用new创建的泛型类对应的对象的class对象。
        Type type = c.getGenericSuperclass(); //取得该对象的泛型类
        //取得泛型对应的真正的class,并放到数组中
        Type[] types = ((ParameterizedType)type).getActualTypeArguments();
        entityClass = (Class<T>) types[0];
    }

这时,getById中就可以直接使用了:

    public T getById(PK id) {
        return (T) getHibernateTemplate().load(entityClass, id);
    }


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