Class文件在Java體系結(jié)構(gòu)中的位置和作用
在上一篇博客中， 大致講解了
Java虛擬機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和執(zhí)行原理。 本篇博客主要講解能夠被JVM識別， 加載并執(zhí)行的class文件的格式。
對于理解JVM和深入理解Java語言， 學(xué)習(xí)并了解class文件的格式都是必須要掌握的功課。 原因很簡單， JVM不會理解我們寫的Java源文件， 我們必須把Java源文件編譯成class文件， 才能被JVM識別， 對于JVM而言， class文件相當(dāng)于一個接口， 理解了這個接口， 能幫助我們更好的理解JVM的行為；另一方面， class文件以另一種方式重新描述了我們在源文件中要表達(dá)的意思， 理解class文件如何重新描述我們編寫的源文件， 對于深入理解Java語言和語法都是很有幫助的。 另外， 不管是什么語言， 只要能編譯成class文件， 都能被JVM識別并執(zhí)行， 所以class文件不僅是跨平臺的基礎(chǔ)， 也是JVM跨語言的基礎(chǔ)， 理解了class文件格式， 對于我們學(xué)習(xí)基于JVM的其他語言會有很大幫助。
總之， 在整個Java技術(shù)體系結(jié)構(gòu)中， class文件處于中間的位置， 對于理解整個體系有著承上啟下的作用。 如圖所示：
Class文件格式概述
class文件是一種8位字節(jié)的二進(jìn)制流文件， 各個數(shù)據(jù)項按順序緊密的從前向后排列， 相鄰的項之間沒有間隙， 這樣可以使得class文件非常緊湊， 體積輕巧， 可以被JVM快速的加載至內(nèi)存， 并且占據(jù)較少的內(nèi)存空間。 我們的Java源文件， 在被編譯之后， 每個類（或者接口）都單獨占據(jù)一個class文件， 并且類中的所有信息都會在class文件中有相應(yīng)的描述， 由于class文件很靈活， 它甚至比Java源文件有著更強(qiáng)的描述能力。
class文件中的信息是一項一項排列的， 每項數(shù)據(jù)都有它的固定長度， 有的占一個字節(jié)， 有的占兩個字節(jié)， 還有的占四個字節(jié)或8個字節(jié)， 數(shù)據(jù)項的不同長度分別用u1, u2, u4, u8表示， 分別表示一種數(shù)據(jù)項在class文件中占據(jù)一個字節(jié)， 兩個字節(jié)， 4個字節(jié)和8個字節(jié)。 可以把u1, u2, u3, u4看做class文件數(shù)據(jù)項的“類型” 。
class文件中存在以下數(shù)據(jù)項(該圖表參考自《深入Java虛擬機(jī)》)：
類型名稱數(shù)量
u4magic1
u2minor_version1
u2major_version1
u2constant_pool_count1
cp_infoconstant_poolconstant_pool_count - 1
u2access_flags1
u2this_class1
u2super_class1
u2interfaces_count1
u2interfacesinterfaces_count
u2fields_count1
field_infofieldsfields_count
u2methods_count1
method_infomethodsmethods_count
u2attribute_count1
attribute_infoattributesattributes_count
下面對class文件中的每一項進(jìn)行詳細(xì)的解釋。
class文件中的魔數(shù)和版本號
（1） magic
在class文件開頭的四個字節(jié)， 存放著class文件的魔數(shù)， 這個魔數(shù)是class文件的標(biāo)志，他是一個固定的值： 0XCAFEBABE 。 也就是說他是判斷一個文件是不是class格式的文件的標(biāo)準(zhǔn)， 如果開頭四個字節(jié)不是0XCAFEBABE， 那么就說明它不是class文件， 不能被JVM識別。
（2）minor_version 和 major_version
緊接著魔數(shù)的四個字節(jié)是class文件的此版本號和主版本號。 隨著Java的發(fā)展， class文件的格式也會做相應(yīng)的變動。 版本號標(biāo)志著class文件在什么時候， 加入或改變了哪些特性。 舉例來說， 不同版本的javac編譯器編譯的class文件， 版本號可能不同， 而不同版本的JVM能識別的class文件的版本號也可能不同， 一般情況下， 高版本的JVM能識別低版本的javac編譯器編譯的class文件， 而低版本的JVM不能識別高版本的javac編譯器編譯的class文件。 如果使用低版本的JVM執(zhí)行高版本的class文件， JVM會拋出java.lang.UnsupportedClassVersionError 。具體的版本號變遷這里不再討論， 需要的讀者自行查閱資料。
class文件中的常量池概述
在class文件中， 位于版本號后面的就是常量池相關(guān)的數(shù)據(jù)項。 常量池是class文件中的一項非常重要的數(shù)據(jù)。 常量池中存放了文字字符串， 常量值， 當(dāng)前類的類名， 字段名， 方法名， 各個字段和方法的描述符， 對當(dāng)前類的字段和方法的引用信息， 當(dāng)前類中對其他類的引用信息等等。 常量池中幾乎包含類中的所有信息的描述， class文件中的很多其他部分都是對常量池中的數(shù)據(jù)項的引用，比如后面要講到的this_class, super_class, field_info, attribute_info等， 另外字節(jié)碼指令中也存在對常量池的引用， 這個對常量池的引用當(dāng)做字節(jié)碼指令的一個操作數(shù)。 此外， 常量池中各個項也會相互引用。
class文件中的項constant_pool_count的值為1, 說明每個類都只有一個常量池。 常量池中的數(shù)據(jù)也是一項一項的， 沒有間隙的依次排放。常量池中各個數(shù)據(jù)項通過索引來訪問， 有點類似與數(shù)組， 只不過常量池中的第一項的索引為1, 而不為0, 如果class文件中的其他地方引用了索引為0的常量池項， 就說明它不引用任何常量池項。class文件中的每一種數(shù)據(jù)項都有自己的類型， 相同的道理，常量池中的每一種數(shù)據(jù)項也有自己的類型。 常量池中的數(shù)據(jù)項的類型如下表：
常量池中數(shù)據(jù)項類型類型標(biāo)志類型描述
CONSTANT_Utf81UTF-8編碼的Unicode字符串
CONSTANT_Integer3int類型字面值
CONSTANT_Float4float類型字面值
CONSTANT_Long5long類型字面值
CONSTANT_Double6double類型字面值
CONSTANT_Class7對一個類或接口的符號引用
CONSTANT_String8String類型字面值
CONSTANT_Fieldref9對一個字段的符號引用
CONSTANT_Methodref10對一個類中聲明的方法的符號引用
CONSTANT_InterfaceMethodref11對一個接口中聲明的方法的符號引用
CONSTANT_NameAndType12對一個字段或方法的部分符號引用
每個數(shù)據(jù)項叫做一個XXX_info項， 比如， 一個常量池中一個CONSTANT_Utf8類型的項， 就是一個CONSTANT_Utf8_info 。除此之外， 每個info項中都有一個標(biāo)志值（tag）， 這個標(biāo)志值表明了這個常量池中的info項的類型是什么， 從上面的表格中可以看出， 一個CONSTANT_Utf8_info中的tag值為1， 而一個CONSTANT_Fieldref_info中的tag值為9 。
Java程序是動態(tài)鏈接的， 在動態(tài)鏈接的實現(xiàn)中， 常量池扮演者舉足輕重的角色。 除了存放一些字面量之外， 常量池中還存放著以下幾種符號引用：
（1） 類和接口的全限定名
（2） 字段的名稱和描述符
（3） 方法的名稱和描述符
在詳細(xì)講解常量池中的各個數(shù)據(jù)項之前， 我們有必要先了解一下class文件中的特殊字符串， 因為在常量池中， 特殊字符串大量的出現(xiàn)，這些特殊字符串就是上面說的全限定名和描述符。 要理解常量池中的各個數(shù)據(jù)項， 必須先了解這些特殊字符串。
對于class文件的講解會在后續(xù)博文中繼續(xù)， 歡迎關(guān)注。
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