详解Java的类文件结构（.class文件的结构）

news2024/10/24 22:18:35

this_class 指向常量池中索引为 2 的 CONSTANT_Class_info。
super_class 指向常量池中索引为 3 的 CONSTANT_Class_info。
由于没有接口，所以 interfaces 的信息为空。

对应 class 文件中的位置如下图所示。

06、字段表

一个类中定义的字段会被存储在字段表（fields）中，包括静态的和非静态的。

来看这样一段代码。

public class FieldsTest {
    private String name;
}

字段只有一个，修饰符为 private，类型为 String，字段名为 name。可以用下面的伪代码来表示 field 的结构。

field_info {
  u2 access_flag;
  u2 name_index;
  u2 description_index;
}

access_flag 为字段的访问标记，比如说是不是 public | private | protected，是不是 static，是不是 final 等。
name_index 为字段名的索引，指向常量池中的 CONSTANT_Utf8_info，比如说上例中的值就为 name。
description_index 为字段的描述类型索引，也指向常量池中的 CONSTANT_Utf8_info，针对不同的数据类型，会有不同规则的描述信息。

1）对于基本数据类型来说，使用一个字符来表示，比如说 I 对应的是 int，B 对应的是 byte。

2）对于引用数据类型来说，使用 L***; 的方式来表示，L 开头，; 结束，比如字符串类型为 Ljava/lang/String;。

3）对于数组来说，会用一个前置的 [ 来表示，比如说字符串数组为 [Ljava/lang/String;。

对应到 class 文件中的位置如下图所示。

看到这里相信你就能明白经常在 javap 命令中看到的一些奇怪的字符的意思了。

07、方法表

方法表和字段表类似，区别是用来存储方法的信息，包括方法名，方法的参数，方法的签名。

就拿 main 方法来说吧。

public class MethodsTest {
    public static void main(String[] args) {
        
    }
}

先用 jclasslib 看一下大概的信息。

访问标记是 public static 的。
方法名为 main。
方法的参数为字符串数组；返回类型为 Void。

对应到 class 文件中的位置如下图所示。

08、属性表

属性表是 class 文件中的最后一部分，通常出现在字段和方法中。

来看这样一段代码。

public class AttributeTest {
    public static final int DEFAULT_SIZE = 128;
}

只有一个常量 DEFAULT_SIZE，它属于字段中的一种，就是加了 final 的静态变量。先通过 jclasslib 看一下它当中一个很重要的属性——ConstantValue，用来表示静态变量的初始值。

Attribute name index 指向常量池中值为“ConstantValue”的常量。
Attribute length 的值为固定的 2，因为索引只占两个字节的大小。
Constant value index 指向常量池中具体的常量，如果常量类型为 int，指向的就是 CONSTANT_Integer_info。

我画了一副图，可以完整的表示字段的结构，包含属性表在内。

对应到 class 文件中的位置如下图所示。

来看下面这段代码。

public class MethodCode {
    public static void main(String[] args) {
        foo();
    }

    private static void foo() {
    }
}

main 方法中调用了 foo 方法。通过 jclasslib 看一下它当中一个很重要的属性——Code，方法的关键信息都存储在里面。

Attribute name index 指向常量池中值为“Code”的常量。
Attribute length 为属性值的长度大小。
bytecode 存储真正的字节码指令。
exception table 表示方法内部的异常信息。
maximum stack size 表示操作数栈的最大深度，方法执行的任意期间操作数栈深度都不会超过这个值。
maximum local variable 表示临时变量表的大小，注意，并不等于方法中所有临时变量的数量之和，当一个作用域结束，内部的临时变量占用的位置就会被替换掉。
code length 表示字节码指令的长度。

对应 class 文件中的位置如下图所示。

09、QA

评论区有读者问到：“怎么通过索引值，定位到在class 文件中的位置，这个是咋算的？”

在Java类文件中，常量池是一个索引表，它从索引值1开始计数，每个条目都有一个唯一的索引。

常量池计数器：在常量池之前，类文件有一个16位的常量池计数器，表示常量池中有多少项。它的值比实际常量数大1（因为索引从1开始）。
常量池条目：每个常量池条目的开始是一个标签（1个字节），表明了常量的类型（如Class、Fieldref、Methodref等）。根据这个类型，后面跟着的数据结构也不同。

定位过程大致如下：

读取常量池计数器：首先，从类文件的开头读取常量池计数器的值，确定常量池中有多少条目。
遍历常量池：从常量池的第一项开始遍历。由于不同类型的常量长度不同，需要根据每个常量的类型来确定它的长度。
根据索引定位：继续遍历，直到到达所需的索引值。每次遍历时，根据条目类型读取相应长度的数据，直到达到目标索引。

可以抽象成一个数组和一个 for 循环，就能明白了。

int[] constantPool = new int[constantPoolCount];
for (int i = 1; i < constantPoolCount; i++) {
    int tag = constantPool[i];
    switch (tag) {
        case CONSTANT_Integer_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_Float_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_Long_info:
            i += 8;
            break;
        case CONSTANT_Double_info:
            i += 8;
            break;
        case CONSTANT_Utf8_info:
            int length = constantPool[i + 1];
            i += length + 1;
            break;
        case CONSTANT_String_info:
            i += 2;
            break;
        case CONSTANT_Class_info:
            i += 2;
            break;
        case CONSTANT_Fieldref_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_Methodref_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_InterfaceMethodref_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_NameAndType_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_MethodHandle_info:
            i += 3;
            break;
        case CONSTANT_MethodType_info:
            i += 2;
            break;
        case CONSTANT_InvokeDynamic_info:
            i += 4;
            break;
        default:
            throw new RuntimeException("Unknown tag: " + tag);
    }
}