【JVM】类文件结构

【JVM】类文件结构1基本介绍2无关性3Class类文件的结构3.1魔数与Class文件的版本魔数Class文件版本3.2常量池3.3访问标识3.4类索引、父类索引与接口索引集合3.5字段表集合3.6方法表集合3.7属性表集合字节码指令简介字节码与数据类型加载和存储指令运算指令类型转换指令对象创建与访问指令操作数栈管理指令方法调用和返回指令异常处理指令同步指令公有设计和私有实现Class文件结构的发展1基本介绍在Java中JVM机器能理解的代码就是字节码也就是扩展名为.class的文件这种文件不面向任何特定的处理器直接面向虚拟机。Java语言通过字节码来编程在一定程度上解决了传统解释型语言执行效率低的问题同时又保留了解释型语言可移植的特点。所以Java程序运行时比较高效而且由于字节码并不针对一种特定的机器所以Java程序不需要重新编译就可以在多种不同操作系统的计算机上运行。ClojureLisp 语言的一种方言、Groovy、Scala 等语言都是运行在 Java 虚拟机之上。下图展示了不同的语言被不同的编译器编译成.class文件最终运行在 Java 虚拟机之上。.class文件的二进制格式可以使用 WinHex 查看。可以说.class文件是不同的语言在 Java 虚拟机之间的重要桥梁同时也是支持 Java 跨平台很重要的一个原因。2无关性3Class类文件的结构根据 Java 虚拟机规范类文件由单个 ClassFile 结构组成ClassFile{u4 magic;//Class 文件的标志u2 minor_version;//Class 的小版本号u2 major_version;//Class 的大版本号u2 constant_pool_count;//常量池的数量cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池u2 access_flags;//Class 的访问标记u2 this_class;//当前类u2 super_class;//父类u2 interfaces_count;//接口u2 interfaces[interfaces_count];//一个类可以实现多个接口u2 fields_count;//Class 文件的字段属性field_info fields[fields_count];//一个类会可以有个字段u2 methods_count;//Class 文件的方法数量method_info methods[methods_count];//一个类可以有个多个方法u2 attributes_count;//此类的属性表中的属性数attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合}下面详细介绍一下 Class 文件结构涉及到的一些组件。Class文件字节码结构组织示意图3.1魔数与Class文件的版本魔数u4 magic; //Class 文件的标志每个 Class 文件的头四个字节称为魔数Magic Number,它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接收的 Class 文件。程序设计者很多时候都喜欢用一些特殊的数字表示固定的文件类型或者其它特殊的含义。Class文件版本u2 minor_version;//Class 的小版本号u2 major_version;//Class 的大版本号紧接着魔数的四个字节存储的是 Class 文件的版本号第五和第六是次版本号第七和第八是主版本号。高版本的 Java 虚拟机可以执行低版本编译器生成的 Class 文件但是低版本的 Java 虚拟机不能执行高版本编译器生成的 Class 文件。所以我们在实际开发的时候要确保开发的的 JDK 版本和生产环境的 JDK 版本保持一致。3.2常量池u2 constant_pool_count;//常量池的数量cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池紧接着主次版本号之后的是常量池常量池的数量是 constant_pool_count-1常量池计数器是从1开始计数的将第0项常量空出来是有特殊考虑的索引值为0代表“不引用任何一个常量池项”。常量池主要存放两大常量字面量和符号引用。字面量比较接近于 Java 语言层面的的常量概念如文本字符串、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。包括下面三类常量类和接口的全限定名字段的名称和描述符方法的名称和描述符常量池中每一项常量都是一个表这14种表有一个共同的特点开始的第一位是一个 u1 类型的标志位 -tag 来标识常量的类型代表当前这个常量属于哪种常量类型.class 文件可以通过javap -v class类名 指令来看一下其常量池中的信息(javap -v class类名- temp.txt 将结果输出到 temp.txt 文件)。3.3访问标识在常量池结束之后紧接着的两个字节代表访问标志这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息包括这个 Class 是类还是接口是否为 public 或者 abstract 类型如果是类的话是否声明为 final 等等。类访问和属性修饰符:我们定义了一个 Employee 类packagetop.snailclimb.bean;publicclassEmployee{...}通过javap -v class类名 指令来看一下类的访问标志。3.4类索引、父类索引与接口索引集合u2 this_class;//当前类u2 super_class;//父类u2 interfaces_count;//接口u2 interfaces[interfaces_count];//一个雷可以实现多个接口类索引用于确定这个类的全限定名父类索引用于确定这个类的父类的全限定名由于 Java 语言的单继承所以父类索引只有一个除了 java.lang.Object 之外所有的 java 类都有父类因此除了 java.lang.Object 外所有 Java 类的父类索引都不为 0。接口索引集合用来描述这个类实现了那些接口这些被实现的接口将按implents(如果这个类本身是接口的话则是extends) 后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。3.5字段表集合u2 fields_count;//Class 文件的字段的个数field_info fields[fields_count];//一个类会可以有个字段字段表field info用于描述接口或类中声明的变量。字段包括类级变量以及实例变量但不包括在方法内部声明的局部变量。field info(字段表) 的结构:access_flags: 字段的作用域public ,private,protected修饰符是实例变量还是类变量static修饰符,可否被序列化transient 修饰符,可变性final,可见性volatile 修饰符是否强制从主内存读写。name_index: 对常量池的引用表示的字段的名称descriptor_index: 对常量池的引用表示字段和方法的描述符attributes_count: 一个字段还会拥有一些额外的属性attributes_count 存放属性的个数attributes[attributes_count]: 存放具体属性具体内容。上述这些信息中各个修饰符都是布尔值要么有某个修饰符要么没有很适合使用标志位来表示。而字段叫什么名字、字段被定义为什么数据类型这些都是无法固定的只能引用常量池中常量来描述。字段的 access_flags 的取值:3.6方法表集合u2 methods_count;//Class 文件的方法的数量method_info methods[methods_count];//一个类可以有个多个方法methods_count 表示方法的数量而 method_info 表示的方法表。Class 文件存储格式中对方法的描述与对字段的描述几乎采用了完全一致的方式。方法表的结构如同字段表一样依次包括了访问标志、名称索引、描述符索引、属性表集合几项。method_info(方法表的) 结构:方法表的 access_flag 取值注意因为volatile修饰符和transient修饰符不可以修饰方法所以方法表的访问标志中没有这两个对应的标志但是增加了synchronized、native、abstract等关键字修饰方法所以也就多了这些关键字对应的标志。3.7属性表集合u2 attributes_count;//此类的属性表中的属性数attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合在 Class 文件字段表方法表中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。与 Class 文件中其它的数据项目要求的顺序、长度和内容不同属性表集合的限制稍微宽松一些不再要求各个属性表具有严格的顺序并且只要不与已有的属性名重复任何人实现的编译器都可以向属性表中写 入自己定义的属性信息Java 虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。字节码指令简介字节码与数据类型加载和存储指令运算指令类型转换指令对象创建与访问指令操作数栈管理指令方法调用和返回指令异常处理指令同步指令公有设计和私有实现Class文件结构的发展