JVM Class文件結構
什麼是Class文件？
Class文件是一組以8位字節（即8bit的字節，可表示爲u1）爲單位的二進制流，各個數據項嚴格按順序緊密排布在文件中，中間沒有分隔符，當遇到需要一個8位字節以上空間的數據項時，會按高位在前的方式分割成若干個8位字節進行存儲。
如果把Class轉爲16進制數表示，就一定有2n個16進制數。
Class的數據結構:
1、無符號數
2、表
無符號數相當於基本數據類型，根據各類型佔用字節數不同，可分別用u1、u2、u4、u8來表示一個字節、兩個字節、四個字節、八個字節的無符號數，可表示數值、索引、utf-8編碼的字符串等。
表可由無符號數和表組成，一般以“_info”結尾，Class文件本質是一張表。
當描述同一類型但數量不定但數據時，會採用前置計數器後接連續數據項的形式，如描述含有n項常量的常量池，先指定一個計數器值爲n，後面連續n項爲常量池包含的常量。
接下來就開始正式探索Class文件結構了
首先創建ClassTest.java，內容如下：
public class ClassTest {
private int param;
private static final String STATIC_PARAM = "static_param";
public void function(){
}
public void function(int funParam){
param = funParam;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(STATIC_PARAM);
}
}
javac編譯後得到class文件，內容如下
1、魔數
Class的前四個字節爲魔數，用以判斷該文件是否是能被虛擬機接受的Class文件，文件後綴可任意更改並不可靠，Class文件的魔數爲0xCAFEBABE。
對比得到的class文件，開頭確實是cafebabe，接下來將cafebabe改爲cafebaba
依次執行：
javac ClassTest.java
java ClassTest
結果如下
2、版本號
這四個字節代表了jdk版本號，5、6字節(0000)爲從版本號，7、8字節(0035)爲主版本號,
java版本號從45開始，jdk 1.x的主版本號爲45，以後每個大版本都會在主版本號上加1。
驗證一下，0035 即爲十進制的53，53 - 44 = 9，即jdk 9.x（1.9）
java -version結果如下
嗯。。很穩，根據java向下兼容的特性，筆者使用的jdk用於任何主版本號小於等於53的class文件。
3、常量池
從第九字節起爲常量池，它包含了一個長度爲u2、表示有n（0～2^16）項常量表的數據，和緊隨其後的n項常量表。
常量表有多種類型，每種類型都有相應的結構，但所有的常量表都以“tag + 具體數據” 的方式組成，不同的類型通過常量表首位的tag區分，常量表大體上可分爲表示字面量的常量和表示符號引用的常量。
字面量是指常量所表示的內容就是實際內容。
字面量可表示的內容有：整型常量、浮點型常量、長整型常量、雙精度浮點型常量、字符串常量。
符號引用是指常量所表示的內容是一個具體內容的標識，比如類的全限定名可以作爲一個類的標識。JVM當加載Class文件並動態連接時，將會把這些符號應用連接到真正的內存地址入口。
符號引用可表示的內容有：
- 類和接口的全限定名。
- 字段的名稱和描述符。
- 方法的名稱和描述符。
還有一個特殊的常量：utf-8字符串，它一般用來表示符號引用本身。
jdk1.7之後又加入了表示方法句柄的常量項、表示標識方法的常量項、表示動態方法調用點的常量項。
查看實例Class文件的第9、10字節，表示的數爲十進制的38，所以接下來的37項爲常量項，爲什麼不是38項呢？因爲第0項被設計者空出來的，從1開始計數，即1～37，共37項（如果0沒有被空出來，則爲0～37共38項）。常量池索引爲1，表示引用常量池第一項；常量池索引爲0，表示不引用常量池項目。
第11字節是0A，它第一項常量的tag，對照項目類型可以看出tag爲10的常量類型爲方法符號引用，查詢該常量表的結構可知，該常量表由u1的tag，u2的class描述符索引和u2的NameAndType索引組成。
查看接下來的兩個u2類型索引:00 07，0017。分別指向第7項和第23項。
常量項太多了，所以直接使用javap -verbose /classpath 導出字節碼內容，內容如下
查看第7項和第23項，確實是Class類型和NameAndType類型的常量項。分別代表了Object類、<init>方法及其參數和返回值。
照此往下分析，我們可以知道常量池的組成，進而根據JVM的規定實現自己的常量池解析器。
4、訪問標誌及繼承、實現關係
至此，我們以分析完常量池內容，緊接着常量池的是訪問標誌，即從畫紅線的一項起爲接下來要分析的內容。
訪問標誌是一個長度u2的數據項，它指明瞭類或接口層次的訪問信息。
| 標誌名稱 | 標誌值 | 含義 |
|---|---|---|
| ACC_PUBLIC | 0x0001 | 是否修飾爲public |
| ACC_FINAL | 0x0010 | 是否修飾爲final |
| ACC_SUPER | 0x0020 | 是否啓用新語意，jdk 1.0.2之後必須爲真 |
| ACC_INTERFACE | 0x0200 | 是否爲接口 |
| ACC_ABSTRACT | 0x0400 | 是否是抽象的；接口和抽象類爲真，其他類值爲假 |
| ACC_SYNTHETIC | 0x1000 | 是否由非用戶代碼產生 |
| ACC_ANNOTATION | 0x2000 | 是否爲註解 |
| ACC_ENUM | 0x4000 | 是否爲枚舉 |
對照該表查看標誌信息，0021，即由ACC_SUPER|ACC_PUBLIC（0x0020|0x0001）組成，所以該Class是一個啓用了新語意的public類。
接下來的三項u2數據分別表示了當前類索引、父類索引、接口索引集合容量。
0004指向常量池第4項，查看可以得知是一個類（或接口）的符號引用，它指向第27項，表示一個全限定名，查看第27項，確實是當前類的類名ClassTest。
0007指向常量池第7項，查看第7項，也是一個類（或接口）的符號引用，它指向第31項，查看第31項，是我們熟悉的Object類，也就是ClassTest的父類。
0000是接口索引集合容量，該容量爲0，就是說沒有實現任何接口。
5、字段表集合
接着是字段表集合，首先有一個u2類型的數據項表示集合容量n，接下來的n項爲字段項。可以看到容量爲0x0002，集合中包含兩個字段項。
字段表包含訪問標示、字段名、描述符、屬性數目及屬性項等。
1.訪問標識（u2）
字段訪問修飾符包括public/protected/private、static、final/volatile、transient、enum
表示值及含義見下表
| 標誌名稱 | 標誌值 | 含義 |
|---|---|---|
| ACC_PUBLIC | 0x0001 | 是否爲public |
| ACC_PRIVATE | 0x0002 | 是否爲private |
| ACC_PROTECTED | 0x0004 | 是否爲protected |
| ACC_STATIC | 0x0008 | 是否爲static |
| ACC_FINAL | 0x0010 | 是否爲final |
| ACC_VOLATILE | 0x0040 | 是否爲volatile |
| ACC_TRANSIENT | 0x0080 | 是否爲transient(不參與序列化) |
| ACC_SYNTHETIC | 0x1000 | 是否爲非用戶代碼產生的 |
| ACC_ENUM | 0x4000 | 是否爲enum |
第一個字段的訪問標示爲0002，即訪問類型爲private。
2.字段名（u2）
字段名是字段的簡單名稱，第一個字段的字段名索引爲0008，指向常量池第8項，查看常量池第8項可知，該字段名爲param。
3.描述符（u2）
描述符表示了該字段的數據類型，方法的描述符表示了返回類型、參數列表。
描述符標識字符見下表
| 標識字符 | 含義 |
|---|---|
| B | 基本類型byte |
| C | 基本類型Char |
| D | 基本類型double |
| F | 基本類型float |
| I | 基本類型int |
| J | 基本類型long |
| S | 基本類型short |
| V | 特殊類型void |
| Z | 基本類型boolean |
| L | 對象類型,如Ljava/lang/Object |
int類型可用I表示，double可用D表示，String類型可用Ljava/lang/String表示，String數組可用[Ljava/lang/String表示，二維String可用[[Ljava/lang/String表示。
查看第一個字段的標識符，0008，指向了常量池的第9項，查看第9項，是I，與我們定義的int param類型一致。
4.屬性數目（u2）
5.屬性表集合
屬性的內容較多，即可以放置final標識的字段常量值，也可以放置方法的字節碼指令等，內容較爲複雜，將在下一篇文章介紹，先來驗證一下已學內容。
第一個字段的屬性數目爲0000，也就是說它沒有屬性。
我們先來看定義的第二個字段
private static final String STATIC_PARAM = "static_param";
訪問標識爲private static final，查閱訪問標識表，可以算出第二個字段的訪問標識爲0x0002 | 0x0008 | 0x0010 = 0x001A
查看常量池，值爲STATIC_PARAM的常量項索引值爲0x000A
String的描述標識符爲Ljava/lang/String，在常量池中查找該項，索引值爲0x000B
由此可得，接下來的6個字節依次爲001A 000A 000B，查看Class文件，確實與我們所算出的值一致。
完美～
6、方法表集合
方法表與字段表如出一轍，先是一個u2類型的數據項表示方法表集合容量n，緊接着的n項爲方法項，方法表的結構與字段表如出一轍，接下來就按照字段表的學習方法表。
1.訪問標誌（u2）
方法訪問修飾符包括public/private/protected、static、final、synchronized、native、strictfp、abstract。
| 標誌名稱 | 標誌值 | 含義 |
|---|---|---|
| ACC_PUBLIC | 0x0001 | 是否爲public |
| ACC_PRIVETE | 0x0002 | 是否爲private |
| ACC_PROTECTED | 0x0004 | 是否爲protected |
| ACC_STATIC | 0x0008 | 是否爲static |
| ACC_FINAL | 0x0010 | 是否爲final |
| ACC_SYNCHRONIZED | 0x0020 | 是否爲synchronized |
| ACC_BRIDGE | 0x0040 | 是否爲編譯器產生的橋接方法 |
| ACC_VARARGS | 0x0080 | 是否可接受不定參數 |
| ACC_NATIVE | 0x0100 | 是否爲native |
| ACC_ABSTRACT | 0x0400 | 是否爲abstract |
| ACC_STRICTFP | 0x0800 | 是否爲strictfp（精確運算浮點型） |
| ACC_SYNTHETIC | 0x1000 | 是否爲非用戶代碼產生的方法 |
2.方法名（u2）
方法名和字段名一樣，指向一個常量池索引，在常量池中是一個utf8類型的常量項。
3.描述符（u2）
方法描述符和字段描述符類似，都使用規定的標識字符代表對應基本數據類型和對象類型，但方法描述符比字段描述符稍複雜一些，方法描述符同時指明瞭參數列表和返回類型，參數列表和返回類型都使用標識字符表示，格式爲(參數列表)返回類型。
例如，public int[] getArray(String[] strs);
參數爲String[] strs，轉換爲標識字符->[Ljava/lang/String
返回類型爲int[]，轉換爲標識字符->[I
所以public int[] getArray(String[] strs);用描述符標識爲([I)[Ljava/lang/String;
方法描述符在JNI中也被稱作方法簽名。
屬性數目和屬性表集合在下一篇文章學習。
《JVM》系列的文章思路沿襲《深入理解Java虛擬機》周志明版，作爲本人學習《深入理解Java虛擬機》一書的學習筆記，希望它也能幫到其他在學習JVM的人。
書山有路勤爲徑。