深入理解Java虚拟机 - 第六章

Author Avatar
晓晓Sama 7月 18, 2018

第六章 类文件结构

概述

现在越来越多的程序语言选择了与操作系统无关和机器指令无关的、平台中立的格式作为程序编译后的存储格式。

无关性的基石

Java虚拟机提供的语言无关性.png

Class类文件的结构

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照顺序紧凑地排列在Class文件中，中间没有添加任何分隔符。当遇到需要占用8位字节以上空间的数据项时，则会按照高位在前的方式分割成若干个8位字节进行存储。

按照Java虚拟机规范，Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储，这种结构中只有两种数据类型：无符号数和表。

  • 无符号数属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节、和8个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值、或者按照UTF-8编码构成字符串值。
  • 表是由多个无符号数或其他表作为数据项构成的复合数据类型，所有的表都习惯性地以"_info"结尾。表用于描述有层次关系的复合数据结构的数据，整个Class文件本质上就是一张表，它由如下所示的数据项构成：
    Class文件格式.jpg
    无论是无符号数还是表，当需要描述同一类型单数量不定的多个数据时，经常会使用一个前置的容量计数器加若干个连续的数据项的形式，这时候称这一系列连续的某一类型的数据位某一类型的集合。

魔数与Class文件的版本

每个Class文件的头4个字节称为魔数（Magic Number），它的唯一作用时用语确定这个文件是否作为一个能被虚拟机接受的Class文件。Class文件的魔数值是0xCAFEBABE。

紧挨着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号：第5和6个字节是次版本号（Minor Version），第7和8个字节是主版本号（Major Version）。Java的版本号是从45开始的，以后每个大版本发布后，主版本号向上加1，高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但不能运行以后版本的Class文件，即使文件格式并未发生变化。

常量池

紧接着主次版本号之后的是常量池入口，它是Class文件中与其它项目关联最紧密的数据类型，也是占用Class文件空间最大的数据项目之一，同时还是Class文件中第一个出现的表类型数据项目。

常量池中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic Reference）。字面量比较接近Java语言的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了下面三类常量：

  • 类和接口的全限定名（Fully Quaified Name）
  • 字段的名称和描述
  • 方法的名称和描述符

常量池中每一项常量都是一个表
1240 1.png

每一项的表结构
1240 2.png

1240 3.png

1240 4.png

访问标志

访问标志（access_flag）：用于识别一些类或接口层次的访问信息，包括：这个Class是类还是接口，是否定义为public类型，是否定义为abstract类型，如果是类的话，是否被声明为final，等等。

具体的标志位及含义，见下表：
Class文件的访问标志.jpg

类索引、父类索引、接口索引集合

类索引（this_class）和父类索引（super_class）都是一个u2类型的数据，而接口索引集合是一个u2类型的数据集合，class文件由这三个数据来确定这个类的继承关系。

1240 5.png

字段表集合

字段表（field_info）：用于描述类或者接口的声明的变量，不包括方法的内部声明变量。

  • 字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量
  • 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

1240 6.png

1240 7.png

name_index是对常量池的引用，代表着字段的简单名称
descriptor_index是对常量池的引用，代表字段的描述符

Java中一个字段（field）可以包含的信息包括：字段的作用域（public、private、protected）、类级别还是实例级别（static）、可变性（final）、并发可见性（volatile是否强制从主内存读写）、可否序列化（transient）、字段数据类型（基本类型、对象、数组）、名称。

1240 8.png

方法表集合

方法表的结构如同 【Chapter 6.3.5 字段表集合】一样，一次包括了，访问标识（access_flag）、名称索引（name_index）、描述符索引（descriptor_index）、属性表集合（attributes）。

1240 9.png

1240 10.png

属性表集合

属性表集合（attribute_info）：用于描述某些场景（Class文件、字段表、方法表）的专有信息。

  • 属性表（attribute_info）在前面的讲解之中已经出现过数次，在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。

1240 11.png

  • 虚拟机规范定义的属性

1240 12.png

1240 13.png

1240 14.png

  • Code属性Java程序方法体中的代码经过Javac编译器处理后，最终变为字节码指令存储在Code属性内。Code属性出现在方法表的属性集合之中，但并非所有的方法表都必须存在这个属性，譬如接口或者抽象类中的方法就不存在Code属性

1240 15.png

Code属性
Java程序方法体里面的代码经过javac编译器处理之后，最终会变成字节码指令存储在Code属性内。
Exceptions属性
列举出方法体中可能抛出的受查异常（checked exception），也就是方法描述时在throws关键字后面的异常。
LineNumberTable属性
用于描述Java字节码行号与源代码行号之间的对应关系（字节码的偏移量）。
LocalVariableTable属性
用于描述栈帧中局部变量表中的变量和Java源代码中定义的变量之间的关系。
SourceFile属性
用于记录生成这个Class文件的源码文件的名称。
ConstantValue属性
通知虚拟机自动为静态变量赋值。
InnerClasses属性
用于记录内部类与宿主之间的关联。
Deprecated和Synthetic属性
Deprecated属性用于表示某个类、字段或者方法，已经被程序作者定位废弃不推荐使用，可以在代码中通过 @deprecated 注释来设置。
Synthetic属性代表字段或方法并不是由Java源代码直接产生的，而是由编译器自行添加的。

本博客所有文章除特别声明外均采用CC BY-NC-SA 4.0许可。转载请注明来自https://newgr8player.com。
本文链接：https://newgr8player.com/2018/07/18/深入理解Java虚拟机---第六章/