JVM-class文件詳解（官方直譯）含腦圖

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JVM

類文件(Class文件)結構

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];
}

magic u4

• value:0xCAFEBABE

minor_version u2

• 0000 暫時不用這兩個字節

major_version u2

• 0034 表示版本號爲52 表示jdk1.8

constant_pool_count u2

• value:0025 對應10進制397代表常量池中39個常量

constant_pool[constant_pool_count-1] cp_info 常量池,有tag,info[] info[]的值根據tag的值變化而變化，後面0X…表示tag的值

cp_info {
u1 tag;
u1 info[];
}

• CONSTANT_Utf8_info u1+u2+u1*length 0x01

  • tag u1:1
  • length u2 bytes中的字節數組長度（不是結果字符串的長度）
  • bytes u1 bytes數組包含字符串的字節。

• CONSTANT_Integer_info u1+u4 0x03

  • tag u1:3
  • bytes u4 按照高位在前存儲的int值，由ASCII轉換成16進制獲得

• CONSTANT_float_info u1+u4 0x04

  • tag u1：4
  • bytes u4 按照高位在前存儲的float值，由ASCII轉換成16進制獲得（IEEE 754 floating-point single format）

• CONSTANT_Long_info u1+u8 0x05

  • tag u1：5
  • high_bytes u4
  • low_bytes u4

• CONSTANT_Double_info u1+u8 0x06

  • tag u1：6
  • high_bytes u4
  • low_bytes u4

• CONSTANT_class_info u1+u2 0x07

  • tag u1：7
  • name_index u2 指向權限定名常量池utf8的索引

• CONSTANT_String_info u1+u2 0x08

  • tag u1：8
  • string_index u2 指向CONSTANT_Utf8_info的索引

• CONSTANT_Fieldref_info u1+u2+u2 0x09

  • tag u1 :9
  • class_index u2 可以是class類型也可以是接口類型，指向常量池中的有效索引，類型是CONSTANT_Class_info結構
  • name_and_type_index u2 指向字段描述符 CONSTANT_NameAndType_info的索引項(請參考字段描述符)

• CONSTANT_Methodref_info u1+u2+u2 0x0a

  • tag u1：10
  • class_index u2 必須是class類型，不是接口類型，
  • name_and_type_index u2 指向方法描述符CONSTANT_NameAndType_info的索引項（請參考方法描述符）如果方法名以’<’(’\u003c’)開頭,名字必須是特殊的名字(實例初始化會用到)，返回類型必須是void

• CONSTANT_Interface_Methodref_info u5 0x0b

  • tag u1:11
  • class_index u2 必須是接口類型
  • name_and_type_index u2 指向名稱及類型描述 符CONSTANT_NameAndType_info的索引項

• CONSTANT_NameAndType_info u5 0x0c

  • tag u1:12

  • name_index u2 指向該字段或方法名稱的CONSTANT_Utf8_info索引

    Class文件中變量，方法的名字以非限定名的形式保存的，簡單講就是單純的變量名或方法名，是不能包含./[;等ASCII字符的。但有個例外

  • descriptor_index u2 指向CONSTANT_Utf8_info結構，代表一個驗證的字段描述符或方法描述符

• CONSTANT_MethodHandle_info u5 0x0f

  • tag u1 ：15

  • reference_kind u2 決定方法類型，值必須是0- 9，該值表示方法句柄的字節碼行爲

  • reference_index u2 值必須是常量池的有效索引

    • 1.reference_kind=1||2||3||4，指向CONSTANT_Fieldref_info索引

    • 2.reference_kind=5||8，指向CONSTANT_Methodref_info索引

    • 3.reference_kind=6||7

      • 類文件版本<52: 指向CONSTANT_Methodref_info索引
      • 類文件版本>=52: 指向CONSTANT_Methodref_info或者CONSTANT_InterfaceMethodref_info索引

    • 4.reference_kind=9，指向CONSTANT_InterfaceMethodref_info索引

    • 5.reference_kind=8，指向CONSTANT_Methodref_info結構必須是方法

• CONSTANT_MethodType_info u3 0x10

  • tag u1 ：16
  • descriptor_index u2 值必須是常量池的有效索 引，常量池在該索引的項必須是CONSTANT_ Utf8_info結構，表示該方法的描述符

• CONSTANT_InvokeDynamic_info u5 0x12

  • tag u1 ：18
  • bootstrap_method_attr_index u2 當前Class文 件中引導方法表的bootstrap_methods[]數組的 有效索引
  • name_and type_index u2 指向名稱及類型描述 符CONSTANT_NameAndType_info的索引項

access_flags u2

• ACC_PUBLIC 0001可以被包的類訪問
• ACC_FINAL 0010 不允許有子類
• ACC_SUPER 0020 當用到invokespecial指令 時，需要特殊處理的父類方法
• ACC_INTEFACE 0200 標識定義的是接口而不 是類
• ACC_ABSTRACT 0400 不能被實例化，抽象
• ACC_ANNOTATION 2000 標識註解類型
• ACC_ENUM 4000 標識枚舉類型
• ACC_SYNTHETIC 1000 標識這個類是否是用戶 代碼生成。0表示由用戶代碼生成

this_class u2 ：指向一個常量池，一般都指向CONSTANT_class_info類型

super_class u2：指向一個常量池，一般都指向CONSTANT_class_info類型

interfaces_count u2：記錄接口的數量，如果爲0則不出現interfaces類型

interfaces[interfaces_count] u2：記錄具體的接口指向，指向一個常量池對象，一般都指向CONSTANT_class_info類型

fields_count u2：記錄字段的數量，如果爲0則不出現fields類型

fields[fields_count] field_info：字段表集合

• access_flags u2：字段訪問標誌

  • ACC_PUBLIC 0x0001
  • ACC_PRIVATE 0x0002
  • ACC_PROTECTED 0x0004
  • ACC_STATIC 0x0008
  • ACC_FINAL 0x0010
  • ACC_VOLATILE 0x0040
  • ACC_TRANSIENT 0x0080
  • ACC_SYNTHETIC 0x1000 標誌指示此字段是由編譯器生成的，不會出現在源代碼中。
  • ACC_ENUM 0x4000 枚舉類型

• name_index u2： 字段名稱索引，指向CONSTANT_Utf8_info索引

• descriptor_index u2：描述符索引，指向CONSTANT_Utf8_info索引

  • 字段描述符如何表示

    • B byte 字節型
    • C char 字符型
    • I int 整型
    • F float 浮點型
    • S short 短整型
    • J long 長整型
    • D double 雙精度浮點型
    • Z boolean 布爾型
    • L+對象全限定名 對象類型，如：String Ljava/lang/String
    • [+基本類型符合 數組類型，如int[] [I
    • V void 無類型

• attributes_count u2:屬性個數

• attributes[attributes_count]attribute_info->ConstantValue_attribute 字段表集合

  • attribute_name_index u2：屬性名稱索引，指向CONSTANT_Utf8_info 結構中的“ConstantValue”
  • attribute_length u2：值必須是2
  • constant_value_index：常量池條目索引必須適合該field

methods_count u2：記錄方法的數量,如果是類是一定存在的，如果是接口methods_count可能存在爲0,enum 最少4（有默認方法）

methods[methods_count] method_info 方法集合

• access_flags u2：字段訪問標誌

  • ACC_PUBLIC 0x0001
  • ACC_PRIVATE 0x0002
  • ACC_PROTECTED 0x0004
  • ACC_STATIC 0x0008
  • ACC_FINAL 0x0010
  • ACC_SYNCHRONIZED 0x0020
  • ACC_BRIDGE 0x0040
  • ACC_VARARGS 0x0080
  • ACC_NATIVE 0x0100
  • ACC_ABSTRACT 0x0400
  • ACC_STRICT 0x0800
  • ACC_SYNTHETIC 0x1000 標誌指示此字段是由編譯器生成的，不會出現在源代碼中。

• name_index u2:方法名稱索引,指向CONSTANT_Utf8_info索引的 or or 有效的非限定名稱

• descriptor_index u2 方法描述索引（返回參數索引）,指向CONSTANT_Utf8_info索引

• attributes_count u2 方法中屬性個數

• attributes attribute_info []

  • Code 執行方法 code_attribute_info

    • attribute_name_index u2 屬性名索引，指向CONSTANT_Utf8_info中的“Code”

    • attribute_length u4 屬性字節長度，不包括前6字節

    • max_stack u2 操作數棧的最大深度

    • max_locals u2 局部變量的最大數目，包含傳入參數的局部變量

      • long或double類型的值的最大局部變量索引是max_locals-2，max_locals-1是任何其他類型的值的最大局部變量索引

    • code_length u4 指令長度，表示代碼數組中的字節數，必須大於0 小於65536

    • code[code_length] u1*code_length 指令集合

    • exception_table_length 異常計數 u1

    • exception_table[exception_table_length] 異常集合 u8*exception_table_length

      • start_pc u2 開始指令地址
      • end_pc u2 結束指令地址
      • handler_pc u2 異常處理指令地址
      • catch_type u2 異常類型，指向CONSTANT_Class_info中catch時拋出的異常類

    • attributes_count u2 Code結構內屬性數

    • attributes attronites_info Code結構體內屬性集合

      • LinaNumberTable 源碼與指令關係 LinaNumberTable_info

        • attribute_name_index u2 屬性名稱，指向CONSTANT_Utf8_info中的“ LineNumberTable”

        • attribute_length u4 屬性長度,需要去掉初始的6字節

        • line_number_table_length u2 源碼指令關係表計數，表示LinaNumberTable的個數

        • line_number_table[line_number_table_ length] u4*line_number_table_length 源碼指令關係表數組

          • stact_pc u2 開始字節碼指令地址
          • line_number u2 源碼行號

      • LocalVariableTable 局部變量描述

        • attribute_name_index u2 屬性名稱，指向CONSTANT_Utf8_info中的“ LocalVariableTable”

        • attribute_length u4 屬性長度,需要去掉初始的6字節

        • local_variable_table_length u2 局部變量描述計數，表示LocalVariableTable的個數

        • local_variable_table[local_variable_table_ length] u10*local_variable_table_length 局部變量描述表集合 local_variable_ info

          • start_pc u2 開始字節碼指令地址
          • length u2 字節碼偏移量
          • name_index u2 局部變量名稱索引,指向CONSTANT_Utf8_info中的非限定名
          • descriptor_index u2 局部變量字段描述符
          • index u2 方法執行時，局部變量在棧幀中局部變量表的位置，如果是double,long 它佔用index,index+1

      • LocalVariableTypeTable 局部變量類型表，方法中使用了泛型變量，則會生成局部變量類型表,對泛型類型的局部變量，需要在LocalVariableTable Attribute和LocalVariableTypeTable Attribute中同時存在一項；而對非泛型類型的局部變量來說，只要在LocalVariableTable Attribute存在表項就可以

        如果方法中使用了泛型變量，則會生成 局部變量類型表；局部變量類型表的信息會覆蓋掉 局部變量表的信息；JDK5之後纔出現的 局部變量類型表，因爲JDK5之前不支持泛型，爲了兼容以前的老版本，不得不做了這個糟糕的設計；局部變量類型表在Hotspot中基本沒有任何作用，僅用於作爲Hotspot中的 局部變量表的 signature_cp_index字段賦值。

        • attribute_name_index u2 屬性名稱，指向CONSTANT_Utf8_info中的“ LocalVariableTypeTable”

        • attribute_length u4 屬性長度,需要去掉初始的6字節

        • local_variable_type_table_length u2 表示LocalVariableTypeTable的個數

        • local_variable_type_table[local_variable_type_table_length]

          • start_pc u2 開始字節碼指令地址
          • length u2 字節碼偏移量
          • name_index u2 局部變量名稱索引,指向CONSTANT_Utf8_info中的非限定名
          • signature_index u2 記錄該項代表的局部變量的字段簽名，指向CONSTANT_Utf8_info中
          • index u2 方法執行時，局部變量在棧幀中局部變量表的位置，如果是double,long 它佔用index,index+1

      • StackMapTable stack_map_frame 棧圖，爲了提高JVM在類型檢查的驗證過程的效率，只用於Class文件加載時的校驗

        • attribute_name_index u2 屬性名稱，指向CONSTANT_Utf8_info中的“ StackMapTable”

        • attribute_length u4 屬性長度,需要去掉初始的6字節

        • number_of_entries u2 表示entries表的成員數量

        • entries[number_of_entries] stack_map_frame

          • frame_type

            • same_frame

              • frame_type = SAME ;/ 0-63 /

                • 該frame與前一個frame的局部變量區、操作數棧上對應位置的類型都完全一樣，這個值也是隱含的 offset_delta,offset_delta=frame_type的值

            • same_locals_1_stack_item_frame

              • frame_type = SAME_LOCALS_1_STACK_ITEM; / 64-127 /

                • 當前幀與上一幀有相同的局部變量，操作數棧中的變量數目爲 1，隱式 offset_delta 爲 frame_type - 64

              • verification_type_info stack[1];

            • same_locals_1_stack_item_frame_extended

              • frame_type u1= SAME_LOCALS_1_STACK_ITEM_EXTENDED;/* 64-127 */

                • 與same_locals_1_stack_item_frame的區別就是offset_delta是明確給定的

              • offset_delta u2

              • verification_type_info stack[1]

            • chop_frame

              • frame_type = CHOP/ 248- 250 /

                • 當前幀與上一幀具有相同的局部變量，知識不存在最後k個局部變量，並且操作數棧爲空。k的值由公式251-frame_type給出，明確給出幀的offset_delta值

              • offset_delta u2

            • same_frame_extended

              • frame_type = SAME_FRAME_EXTENDED / 251/

                • 局部變量信息和上一個幀相同，且操作數棧爲空，與same_frame不同的是offset_delta明確給定的

              • offset_delta u2

            • append_frame

              • frame_type = APPEND ; / 252-254 /

                • 當前幀比上一幀多了k個局部變量，且操作數棧爲空，其中 k = frame_type -251

              • offset_delta u2

              • verification_type_info locals[frame_type - 251]

            • full_frame

              • frame_type = FULL_FRAME;/ 255 /

                • 局部變量表和操作數棧做完整記錄

              • offset_delta

              • number_of_locals

              • verification_type_info locals[number_of_locals]

              • u2 number_of_stack_items

              • verification_type_info stack[number_of_stack_items];

  • Exceptions 拋出異常的方法 Exception_ attribute_info

    • attribute_name_index u2 屬性名稱，指向名稱爲Exceptions 的常量池

    • attribute_length u4 屬性長度

    • Number_of_exceptions u2 異常數量計數 ，表示有多少個異常名稱索引

    • exceptions_index_table[Number_of_ exceptions] u2*Number_of_ exceptions 異常常量池索引

      • 每兩個字節指向一個CONSTANT_Class_info類型 的常量池，全限定名稱

  • RuntimeVisibleParameterAnnotations 該方法在運行時可見的修飾該方法參數的Annotation，Java程序可以通過反射機制獲取這些Annotation中的值

    • attribute_name_index u2 屬性名稱，指向名稱爲RuntimeVisibleParameterAnnotations 的常量池

    • attribute_length u4 屬性長度

    • num_parameters u1 記錄該方法中的參數個數

    • parameter_annotations[num_parameters] annotation

      • type_index u2 指向CONSTANT_Utf8_info描述符

      • num_element_value_pairs

      • element_value_pairs[num_element_value_pairs] element_value_pairs

        • element_name_index，對應註解裏字段的字段名稱，指向CONSTANT_Utf8_info
        • value ：加了註解的字段名爲 record

  • RuntimeInvisibleParameterAnnotations 記錄該方法在運行時不可見的修飾該方法參數的Annotation 結構與（RuntimeVisibleParameterAnnotations）相同

  • AnnotationDefault

    • attribute_name_index u2 屬性名稱，指向名稱爲AnnotationDefault 的常量池
    • attribute_length u4 屬性長度
    • default_value 代碼註解類型元素的默認值

  • MethodParameters

    • attribute_name_index u2 指向名稱爲“MethodParameters”的常量池

    • attribute_length u4 屬性長度

    • parameters_count u1 參數的數量

    • parameters[parameters_count] parameter

      • name_index u2 值必須爲0 或者指向常量池中的索引，如果爲0 則parameters指向不帶名稱的形參，如果非0 則必須指向CONSTANT_Utf8_info 中的非限定名

attributes_count u2 屬性表中的屬性數量，記錄原文件屬性信息，一般一個類具有一個

attributes[attributes_count] attribute_info 官方定義爲數組，實際上專屬類描述的只有

• SourceFile 記錄源文件名稱

  • attribute_name_index u2 屬性名稱索引，指向值爲“ SourceFile”的常量池
  • attribute_length u4 屬性長度 值必須爲2
  • sourcefile_index 源文件名稱索引，指向值CONSTANT_Utf8_info 中類地址的常量池

• InnerClasses 內部類列表

  • attribute_name_index u2 屬性名稱索引，指向值爲“ InnerClasses”的常量池
  • attribute_length 表示屬性的長度，不包括前六個字節。
  • number_of_classes 表明classes數組衝的個數
  • classes[number_of_classes] 表示一個非包成員的類，都明確對應CONSTANT_Class_info中的一個類

• EnclosingMethod 僅當一個類爲局部類或者匿名類是才能擁有這個屬性

  • attribute_name_index u2 屬性名稱索引，指向值爲“ EnclosingMethod”的常量池
  • attribute_length u4 值必須爲4
  • class_index u2 指向CONSTANT_Class_info中的
  • method_index u2 如果沒有實現方法或構造函數的嵌套，則爲0 ，否則指向CONSTANT_NameAndType_info的索引，

• SourceDebugExtension

  • attribute_name_index u2 屬性名稱索引，指向值爲“ SourceDebugExtension”的常量池
  • attribute_length u4 表示屬性的長度，不包括前六個字節。
  • debug_extension[attribute_length] u1*attribute_length

• BootstrapMethods 這個屬性用於保存 invokedynamic 指令引用的引導方法限定符

  • attribute_name_index u2 屬性名稱索引，指向值爲“ BootstrapMethods”的常量池

  • attribute_length u4 表示屬性的長度，不包括前六個字節。

  • num_bootstrap_methods u2 數組中的引導方法限定符的數量

  • bootstrap_methods[num_bootstrap_methods]

    • bootstrap_method_ref u2

    • num_bootstrap_arguments u2

    • bootstrap_arguments[num_bootstrap_arguments] u2*num_bootstrap_arguments

      常量池在該索引處必須是下列結構之一：CONSTANT_String_info、CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Integer_info、CONSTANT_Long_info、CONSTANT_Float_info、CONSTANT_Double_info、CONSTANT_MethodHandle_info 或 CONSTANT_MethodType_info

字段描述符

方法：Object m(int i, double d, Thread t) {…}

方法描述符(IDLjava/lang/Thread;)Ljava/lang/Object;

Constant value attribute types

Field access

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