类文件结构简介

理解类加载机制的基础

类文件结构

java编译后会生成字节码文件(*.class，即类文件)，其之所以能够“一次编写，到处运行”是因为字节码文件时平台无关的，这些类文件被各个平台上的虚拟机加载执行，即 字节码平台无关，虚拟机平台相关。

任何一个.class文件对应一个类/接口，但是类/接口可能通过类加载器直接生成，不一定定义在.class文件中。

1.1 类文件结构

*.class文件是一组8位为基础单位的二进制流(4位标识一个16进制数，所以两个16进制数标识一个8位)。如果一个数据项需要一个以上的8位存储空间，则按照高位在前big-endian的方式使用若干个8位进行存储。

数据类型

Class文件有两种数据类型:

1. 无符号数：基本数据类型，u1/u2/u4/u8分别代表1/2/4/8个字节的无符号数，用来描述数字、索引引用、数量之和按照utf-8编码构成的字符串值。
2. 表：有多个无符号数和其他表组成的复合数据类型，以“_info”结尾。用于描述有层次关系的复合结构的数据。

class文件结构

class文件本质就是一张表，构成class文件的数据项如图所示：

• 描述同一类型但是数量不定的多个数据时，经常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——称这一系列连续的数据为某一类型的集合。

如下代码编译：

package org.fenixsoft.clazz;

public class TestClass {

    private int m;
  
    public int inc(){
        return m+1;
    }
}

使用16进制方式读取文档，class文件示意图如下：

• 每个字符为4位一个16进制数，两个字符为一个字节；
• 前四个字节成为魔数magic number，确定这个类是否是一个能够被虚拟机接受的class文件。class文件的魔数是CAFEBABE(咖啡宝贝)；
• 魔数之后是次版本号和主版本号，均为2个字节。如图此版本号是0，主版本号是10进制的52(0x34)。注意jdk对class文件向下兼容，向上不兼容；
• 第9/10个字节是常量池入口，constant-pool-count。如图00 16，表示此文件有多少个常量（不仅是自定义的）。常量池是class文件的资源仓库；
• 常量池常量大致可以分为两类，字面量literal和符号引用symbolic references：
  1. 字面量有文本字符串、声明为final的常量等；
  2. 符号引用是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fully qualified name、字段的名称和描述符descriptor、方法的名称和描述符；
  3. 常量池项目类型详细如下图：
  4. 标志就是字节码中对应的标识常量类型的数字。
• javap -verbose class文件名可以查看分析class文件中的信息，代码对应分析信息(版本号、常量、字节码指令）如下：
  

1.2 字节码指令和字节码指令支持的数据类型

字节码中部分信息在类加载节点被验证，而指令部分这在程序执行时使用。在*java内存区域划分**一节中我们讲到 程序计数器是当前线程所执行字节码的行号的指示器。值得就是上截图中指令部分的内容。

• 字节码指令

  加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd。
  减法指令：isub、lsub、fsub、dsub。
  乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul。
  除法指令：idiv、ldiv、fdiv、ddiv。
  求余指令：irem、lrem、frem、drem。
  取反指令：ineg、lneg、fneg、dneg。
  位移指令：ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr。
  按位或指令：ior、lor。
  按位与指令：iand、land。
  按位异或指令：ixor、lxor。
  局部变量自增指令：iinc。
  比较指令：dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp。

• 各个指令所支持的数据类型
  
  

• 如图很多指令不支持byte/short/char/boolean，因为**编译器在编译期或运行期将byte和short类型带符号扩展sign-extend为相应的int类型，boolean和char零位扩展zero-extend为相应的int类型；

• 字节码指令有操作码opcode和操作数operand两部分组成。有时后者可能没有；

[补充]：基本数据类型和XX扩展

基本数据类型

基本数据类型有8种：

1. 将byte和short类型带符号扩展sign-extend：高位补齐的数字，正0负1；

2. boolean和char零位扩展zero-extend：高位补0；