《Java虛擬機原理圖解》 1.1、class文件基本組織結構

[last updated: 2014/11/19 09:06]         

      作爲Java程序猿，我們知道，我們寫好的.java 源代碼，最後會被Java編譯器編譯成後綴爲.class的文件，該類型的文件是由字節組成的文件，又叫字節碼文件。那麼，class字節碼文件裏面到底是有什麼呢？它又是怎樣組織的呢？讓我們先來大概瞭解一下他的組成結構吧。

NO1. 魔數(magic)

      所有的由Java編譯器編譯而成的class文件的前4個字節都是“0xCAFEBABE”  
      它的作用在於：當JVM在嘗試加載某個文件到內存中來的時候，會首先判斷此class文件有沒有JVM認爲可以接受的“簽名”，即JVM會首先讀取文件的前4個字節，判斷該4個字節是否是“0xCAFEBABE”，如果是，則JVM會認爲可以將此文件當作class文件來加載並使用。

NO2.版本號(minor_version,major_version)

      隨着Java本身的發展，Java語言特性和JVM虛擬機也會有相應的更新和增強。目前我們能夠用到的JDK版本如：1.5，1.6，1.7，還有現如今最新的1.8。發佈新版本的目的在於：在原有的版本上增加新特性和相應的JVM虛擬機的優化。而隨着主版本發佈的次版本，則是修改相應主版本上出現的bug。我們平時只需要關注主版本就可以了。

主版本號和次版本號在class文件中各佔兩個字節，副版本號佔用第5、6兩個字節，而主版本號則佔用第7，8兩個字節。JDK1.0的主版本號爲45，以後的每個新主版本都會在原先版本的基礎上加1。若現在使用的是JDK1.7編譯出來的class文件，則相應的主版本號應該是51,對應的7，8個字節的十六進制的值應該是 0x33。

      一個 JVM實例只能支持特定範圍內的主版本號 （Mi 至Mj） 和 0 至特定範圍內 （0 至 m） 的副版本號。假設一個 Class 文件的格式版本號爲 V， 僅當Mi.0 ≤ v ≤ Mj.m成立時，這個 Class 文件纔可以被此 Java 虛擬機支持。不同版本的 Java 虛擬機實現支持的版本號也不同，高版本號的 Java 虛擬機實現可以支持低版本號的 Class 文件，反之則不成立。

     JVM在加載class文件的時候，會讀取出主版本號，然後比較這個class文件的主版本號和JVM本身的版本號，如果JVM本身的版本號 < class文件的版本號，JVM會認爲加載不了這個class文件，會拋出我們經常見到的"java.lang.UnsupportedClassVersionError: Bad version number in .class file " Error 錯誤；反之，JVM會認爲可以加載此class文件，繼續加載此class文件。

     

    小貼士：

1. 有時候我們在運行程序時會拋出這個Error 錯誤："java.lang.UnsupportedClassVersionError: Bad version number in .class file"。上面已經揭示了出現這個問題的原因，就是在於當前嘗試加載class文件的JVM虛擬機的版本 低於class文件的版本。解決方法：1.重新使用當前jvm編譯源代碼，然後再運行代碼；2.將當前JVM虛擬機更新到class文件的版本。

2. 怎樣查看class文件的版本號？

 可以藉助於文本編輯工具，直接查看該文件的7，8個字節的值，確定class文件是什麼版本的。

當然快捷的方式使用JDK自帶的javap工具，如當前有Programmer.class 文件，進入此文件所在的目錄，然後執行 ”javap -v Programmer“,結果會類似如下所示：

    

NO3.常量池計數器(constant_pool_count)

 常量池是class文件中非常重要的結構，它描述着整個class文件的字面量信息。 常量池是由一組constant_pool結構體數組組成的，而數組的大小則由常量池計數器指定。常量池計數器constant_pool_count 的值 =constant_pool表中的成員數+ 1。constant_pool表的索引值只有在大於 0 且小於constant_pool_count時纔會被認爲是有效的。

NO4.常量池數據區(constant_pool[contstant_pool_count-1])

常量池，constant_pool是一種表結構,它包含 Class 文件結構及其子結構中引用的所有字符串常量、 類或接口名、字段名和其它常量。 常量池中的每一項都具備相同的格式特徵——第一個字節作爲類型標記用於識別該項是哪種類型的常量，稱爲 “tag byte” 。常量池的索引範圍是 1 至constant_pool_count−1。常量池的具體細節我們會稍後討論。

NO6.訪問標誌(access_flags)

       訪問標誌，access_flags 是一種掩碼標誌，用於表示某個類或者接口的訪問權限及基礎屬性。

      

NO7.類索引(this_class)

       類索引，this_class的值必須是對constant_pool表中項目的一個有效索引值。constant_pool表在這個索引處的項必須爲CONSTANT_Class_info 類型常量，表示這個 Class 文件所定義的類或接口。

NO8.父類索引(super_class)

     父類索引，對於類來說，super_class 的值必須爲 0 或者是對constant_pool 表中項目的一個有效索引值。如果它的值不爲 0，那 constant_pool 表在這個索引處的項必須爲CONSTANT_Class_info 類型常量，表示這個 Class 文件所定義的類的直接父類。當前類的直接父類，以及它所有間接父類的access_flag 中都不能帶有ACC_FINAL 標記。對於接口來說，它的Class文件的super_class項的值必須是對constant_pool表中項目的一個有效索引值。constant_pool表在這個索引處的項必須爲代表 java.lang.Object 的 CONSTANT_Class_info 類型常量 。如果 Class 文件的 super_class的值爲 0，那這個Class文件只可能是定義的是java.lang.Object類，只有它是唯一沒有父類的類。

NO9.接口計數器(interfaces_count)

      接口計數器，interfaces_count的值表示當前類或接口的直接父接口數量。

NO10.接口信息數據區(interfaces[interfaces_count])

      接口表，interfaces[]數組中的每個成員的值必須是一個對constant_pool表中項目的一個有效索引值， 它的長度爲 interfaces_count。每個成員 interfaces[i]  必須爲 CONSTANT_Class_info類型常量，其中 0 ≤ i <interfaces_count。在interfaces[]數組中，成員所表示的接口順序和對應的源代碼中給定的接口順序（從左至右）一樣，即interfaces[0]對應的是源代碼中最左邊的接口。

NO11.字段計數器(fields_count)

      字段計數器，fields_count的值表示當前 Class 文件 fields[]數組的成員個數。 fields[]數組中每一項都是一個field_info結構的數據項，它用於表示該類或接口聲明的類字段或者實例字段。

NO12.字段信息數據區(fields[fields_count])

      字段表，fields[]數組中的每個成員都必須是一個fields_info結構的數據項，用於表示當前類或接口中某個字段的完整描述。 fields[]數組描述當前類或接口聲明的所有字段，但不包括從父類或父接口繼承的部分。

NO13.方法計數器(methods_count)

     方法計數器， methods_count的值表示當前Class 文件 methods[]數組的成員個數。Methods[]數組中每一項都是一個 method_info 結構的數據項。

NO14.方法信息數據區(methods[methods_count])

      方法表，methods[] 數組中的每個成員都必須是一個 method_info 結構的數據項，用於表示當前類或接口中某個方法的完整描述。如果某個method_info 結構的access_flags 項既沒有設置 ACC_NATIVE 標誌也沒有設置ACC_ABSTRACT 標誌，那麼它所對應的方法體就應當可以被 Java 虛擬機直接從當前類加載，而不需要引用其它類。 method_info結構可以表示類和接口中定義的所有方法，包括實例方法、類方法、實例初始化方法方法和類或接口初始化方法方法 。methods[]數組只描述當前類或接口中聲明的方法，不包括從父類或父接口繼承的方法。

NO15.屬性計數器(attributes_count)

     屬性計數器，attributes_count的值表示當前 Class 文件attributes表的成員個數。attributes表中每一項都是一個attribute_info 結構的數據項。

NO16.屬性信息數據區(attributes[attributes_count])

     屬性表，attributes 表的每個項的值必須是attribute_info結構。

    在Java 7 規範裏，Class文件結構中的attributes表的項包括下列定義的屬性： InnerClasses  、 EnclosingMethod 、 Synthetic  、Signature、SourceFile，SourceDebugExtension 、Deprecated、RuntimeVisibleAnnotations 、RuntimeInvisibleAnnotations以及BootstrapMethods屬性。

      對於支持 Class 文件格式版本號爲 49.0 或更高的 Java 虛擬機實現，必須正確識別並讀取attributes表中的Signature、RuntimeVisibleAnnotations和RuntimeInvisibleAnnotations屬性。對於支持Class文件格式版本號爲 51.0 或更高的 Java 虛擬機實現，必須正確識別並讀取 attributes表中的BootstrapMethods屬性。Java 7 規範 要求任一 Java 虛擬機實現可以自動忽略 Class 文件的 attributes表中的若干 （甚至全部） 它不可識別的屬性項。任何本規範未定義的屬性不能影響Class文件的語義，只能提供附加的描述信息 。

根據上述的敘述，我們可以將class的文件組織結構概括成以下面這個結構體：

參考書目：

Java虛擬機規範（Java SE 7）中文版（Java_Virtual_Machine_Specification_Java_SE_7）

[深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐].周志明

作者的話

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