Android---字节码层面分析Class类文件

news2024/12/22 19:12:32

Java 提供了一种可以在所有平台上都能使用的一种中间代码---字节码文件(.class文件)。有了字节码，无论是那个平台只要安装了虚拟机都可以直接运行字节码文件。有了虚拟机，解除了 java 虚拟机与 java 代码之间的耦合。

Java 虚拟机当初被设计出来时就不单单只运行 java 这一种语言，目前 java 虚拟机已经可以支持很多除 java 语言以外的其它语言了，比如 Groovy, JRuby, json, skilla等。之所以可以支持其它语言，是因为这些语言经过编译之后，也可以生成能够被 JVM 解析并执行的字节码文件。而虚拟机并不关心字节码是由哪一种语言编译而来，如下图所示：

class 文件

从纵观的角度看，class 文件里只有两种数据结构：无符号数和表。

$\bullet$ 无符号数：属于基本的数据类型。以 u1，u2，u4，u8来分别代表 1 个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数。无符号数可以用来描述数字、索引引用，数量值或者字符串（UTF-8编码）。

$\bullet$ 表：表由多个无符号数或者其它表作为数据项构成的复合数据类型。class 文件中所有的表都以“_info”结尾。整个 class 文件本质上就是一张表。

表和无符号数之间的关心

class 文件结构

无符号数和表组成了 class 中的各个结构，这些结构按照预先规定好的顺序紧密的从前向后排列，相邻的项之间没有任何间隙。当 JVM 加载某个 class 文件时，JVM 就是根据上图中的结构去解析 class 文件。加载 class 文件到内存中，并在内存中分配相应的内存空间，具体某种结构需要占用多大的空间，可以参考如下图：

实例解析：

把 test.java 编译成 test.class 文件。用十六进制编辑器打开 .class 文件（可以用在线的编辑器 HexD.it）。

package software_test;

import java.io.Serializable;

public class test implements Serializable, Cloneable {

	private int num = 1;
	
	public int add(int i) {
		int j = 10;
		num = num + i + j;
		return num;
	}
	
}

打开 test.class 文件的内容

1. 魔数(magic number)

在 class 文件开头的四个字节是 class 文件的魔数，它是一个固定的值--0XCAFEBABE。魔数是 class 文件的标志，它是判断一个文件是不是 class 格式文件的标准。

2. 版本号

前两个字节 0000代表次版本号（minor_version)，后两个字节 0034 是主版本号（major_version)，对应的十进制值为52，当前 class 文件的主版本号为52，次版本号为0，所以综合版本号是52.0，也就是 jdk1.8.0。

3. 常量池

紧跟在版本号之后的是一个叫做常量池的表（cp_info)。在常量池中保存了类的各种相关信息，比如类的名称、父类的名称、类中的方法名、参数名称、参数类型等。

常量池中的每一项都是一个表，其项目类型共有14种。常量池中的每一项都会有一个 u1 大小的 tag 值，是表的标识。

JVM 解析 class 文件时，通过 tag 值来判断当前数据结构是哪一个表。例如，CONSTANT_Class_info 表：

tag：占用一个字节大小，值为为7，说明是 CONSTANT_Class_info 类型表。

name_index：是一个索引值，可以将它理解为一个指针，指向常量池中索引为 name_index 的常量表。比如 name_index = 7，则它指向常量池中第7个常量表（表与表之间是有关联的）。

再例如 CONSTANT_Utf8_info 表：

tag：值为1，表示是 CONSTANT_Utf8_info类型表。

length：表示 u1[]的长度，比如length = 5，则表示接下来的数据是 5 个连续的u1类型数据。

bytes： u1 类型数组，长度为上面第2个参数 length 的值。

面试题：Java 源文件中 String 字符串的长度有限制吗？

有（字符串存储在Class文件的常量池中）。在 Java 代码中声明的 String 字符串最终在 class 文件中的存储格式是 CONSTANT_utf8_info因此一个字符串最大长度也就是 u2 所能代表的最大值 65536（2^16）个，但是需要使用2个来保存null值，因此一个字符串的最大长度为 65536 - 2 = 65534。

class 文件在常量池的前面使用2个字节的容量计数器，用来代表当前类中常量池的大小。