JVM 详解之:java class 文件的密码本
简介
一切的一切都是从 javac 开始的。从那一刻开始，java 文件就从我们肉眼可分辨的文本文件，变成了冷冰冰的二进制文件。
变成了二进制文件是不是意味着我们无法再深入的去了解 java class 文件了呢？答案是否定的。
机器可以读，人为什么不能读？只要我们掌握 java class 文件的密码表，我们可以把二进制转成十六进制，将十六进制和我们的密码表进行对比，就可以轻松的解密了。
下面，让我们开始这个激动人心的过程吧。
一个简单的 class
为了深入理解 java class 的含义，我们首先需要定义一个 class 类：
很简单的类，我想不会有比它更简单的类了。
在上面的类中，我们定义了一个 age 字段和一个 inc 的方法。
接下来我们使用 javac 来进行编译。
IDEA 有没有？直接打开编译后的 class 文件，你会看到什么？
没错，是反编译过来的 java 代码。但是这次我们需要深入了解的是 class 文件，于是我们可以选择 view->Show Bytecode：
当然，还是少不了最质朴的 javap 命令：
对比会发现，其实 javap 展示的更清晰一些，我们暂时选用 javap 的结果。
编译的 class 文件有点长，我一度有点不想都列出来，但是又一想只有对才能讲述得更清楚，还是贴在下面：
ClassFile 的二进制文件
慢着，上面 javap 的结果好像并不是二进制文件！
对的，javap 是对二进制文件进行了解析，方便程序员阅读。如果你真的想直面最最底层的机器代码，就直接用支持 16 进制的文本编译器把编译好的 class 文件打开吧。
你准备好了吗？
来吧，展示吧！
上图左边是 16 进制的 class 文件代码，右边是对 16 进制文件的适当解析。大家可以隐约的看到一点点熟悉的内容。
是的，没错，你会读机器语言了！
class 文件的密码本
如果你要了解 class 文件的结构，你需要这个密码本。
如果你想解析 class 文件，你需要这个密码本。
学好这个密码本，走遍天下都……没啥用！
下面就是密码本，也就是 classFile 的结构。
其中 u2，u4 表示的是无符号的两个字节，无符号的 4 个字节。
java class 文件就是按照上面的格式排列下来的，按照这个格式，我们可以自己实现一个反编译器（大家有兴趣的话，可以自行研究）。
我们对比着上面的二进制文件一个一个的来理解。
magic
首先，class 文件的前 4 个字节叫做 magic word。
看一下十六进制的第一行的前 4 个字节：
0xCAFEBABE 就是 magic word。所有的 java class 文件都是以这 4 个字节开头的。
来一杯咖啡吧，baby！
多么有诗意的画面。
version
这两个 version 要连着讲，一个是主版本号，一个是次版本号。
对比一下上面的表格，我们的主版本号是 3A=58，也就是我们使用的是 JDK14 版本。
常量池
接下来是常量池。
首先是两个字节的 constant_pool_count。对比一下，constant_pool_count 的值是：
换算成十进制就是 23。也就是说常量池的大小是 23-1=22。
这里有两点要注意，第一点，常量池数组的 index 是从 1 开始到 constant_pool_count-1 结束。
第二点，常量池数组的第 0 位是作为一个保留位，表示“不引用任何常量池项目”，为某些特殊的情况下使用。
接下来是不定长度的 cp_info：constant_pool[constant_pool_count-1]常量池数组。
常量池数组中存了些什么东西呢？
字符串常量，类和接口名字，字段名，和其他一些在 class 中引用的常量。
具体的 constant_pool 中存储的常量类型有下面几种：
每个常量都是以一个 tag 开头的。用来告诉 JVM，这个到底是一个什么常量。
好了，我们对比着来看一下。在 constant_pool_count 之后，我们再取一部分 16 进制数据：
上面我们讲到了 17 是常量池的个数，接下来就是常量数组。
首先第一个字节是常量的 tag， 0A=10，对比一下上面的表格，10 表示的是 CONSTANT_Methodref 方法引用。
CONSTANT_Methodref 又是一个结构体，我们再看一下方法引用的定义：
从上面的定义我们可以看出，CONSTANT_Methodref 是由三部分组成的，第一部分是一个字节的 tag，也就是上面的 0A。
第二部分是 2 个字节的 class_index，表示的是类在常量池中的 index。
第三部分是 2 个字节的 name_and_type_index，表示的是方法的名字和类型在常量池中的 index。
先看 class_index，0002=2。
常量池的第一个元素我们已经找到了就是 CONSTANT_Methodref，第二个元素就是跟在 CONSTANT_Methodref 后面的部分，我们看下是什么：
一样的解析步骤，07=7，查表，表示的是 CONSTANT_Class。
我们再看下 CONSTANT_Class 的定义：
可以看到 CONSTANT_Class 占用 3 个字节，第一个字节是 tag，后面两个字节是 name 在常量池中的索引。
00 04 = 4， 表示 name 在常量池中的索引是 4。
然后我们就这样一路找下去，就得到了所有常量池中常量的信息。
这样找起来，眼睛都花了，有没有什么简单的办法呢？
当然有，就是上面的 javap -version， 我们再回顾一下输出结果中的常量池部分：
以第一行为例，直接告诉你常量池中第一个 index 的类型是 Methodref，它的 classref 是 index=2，它的 NameAndType 是 index=3。
并且直接在后面展示出了具体的值。
描述符
且慢，在常量池中我好像看到了一些不一样的东西，这些 I，L 是什么东西？
这些叫做字段描述符：
上图是他们的各项含义。除了 8 大基础类型，还有 2 个引用类型，分别是对象的实例，和数组。
access_flags
常量池后面就是 access_flags：访问描述符，表示的是这个 class 或者接口的访问权限。
先上密码表：
再找一下我们 16 进制的 access_flag:
没错，就是 00 21。 参照上面的表格，好像没有 21，但是别怕：
21 是 ACC_PUBLIC 和 ACC_SUPER 的并集。表示它有两个 access 权限。
this_class 和 super_class
接下来是 this class 和 super class 的名字，他们都是对常量池的引用。
this class 的常量池 index=8， super class 的常量池 index=2。
看一下 2 和 8 都代表什么：
没错，JavaClassUsage 的父类是 Object。
大家知道为什么 java 只能单继承了吗？因为 class 文件里面只有一个 u2 的位置，放不下了！
interfaces_count 和 interfaces[]
接下来就是接口的数目和接口的具体信息数组了。
我们没有实现任何接口，所以 interfaces_count=0，这时候也就没有 interfaces[]了。
fields_count 和 fields[]
然后是字段数目和字段具体的数组信息。
这里的字段包括类变量和实例变量。
每个字段信息也是一个结构体：
字段的 access_flag 跟 class 的有点不一样：
这里我们就不具体对比解释了，感兴趣的小伙伴可以自行体验。
methods_count 和 methods[]
接下来是方法信息。
method 结构体：
method 访问权限标记：
attributes_count 和 attributes[]
attributes 被用在 ClassFile, field_info, method_info 和 Code_attribute 这些结构体中。
先看下 attributes 结构体的定义：
都有哪些 attributes, 这些 attributes 都用在什么地方呢？
其中有六个属性对于 Java 虚拟机正确解释类文件至关重要，他们是：
ConstantValue，Code，StackMapTable，BootstrapMethods，NestHost 和 NestMembers。
九个属性对于 Java 虚拟机正确解释类文件不是至关重要的，但是对于通过 Java SE Platform 的类库正确解释类文件是至关重要的，他们是：
Exceptions，InnerClasses，EnclosingMethod，Synthetic，Signature，SourceFile，LineNumberTable，LocalVariableTable，LocalVariableTypeTable。
其他 13 个属性，不是那么重要，但是包含有关类文件的元数据。
总结
最后留给大家一个问题，java class 中常量池的大小 constant_pool_count 是 2 个字节，两个字节可以表示 2 的 16 次方个常量。很明显已经够大了。
但是，万一我们写了超过 2 个字节大小的常量怎么办？欢迎大家留言给我讨论。
本文链接：http://www.flydean.com/jvm-class-file-structure/
最通俗的解读，最深刻的干货，最简洁的教程，众多你不知道的小技巧等你来发现！
欢迎关注我的公众号:「程序那些事」,懂技术，更懂你！
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【程序那些事】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/9dfabc205f239f95a73964904】。文章转载请联系作者。
关注公众号：程序那些事，更多精彩等着你！ 2020.06.07 加入
最通俗的解读，最深刻的干货，最简洁的教程，众多你不知道的小技巧，尽在公众号：程序那些事！
评论 (1 条评论)