Class文件結構全面解析(下)

接上回書

書接,分享了Class文件的主要構成,同時也詳細分析了魔數、次版本號、主版本號、常量池集合、訪問標誌的構造,接下來我們就繼續學習。

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類索引和父類索引

類索引(this_class)和父類索引(super_class)都是一個u2類型的數據,類索引用於確定這個類的全限定名,父類索引用於確定這個類的父類全限定名。由於java語言不允許多重繼承,所以父類索引只有一個。

類索引和父類索引各自指向常量池中類型為CONSTANT_Class_info的類描述符,再通過類描述符中的索引值找到常量池中類型為CONSTANT_Utf8_info的字符串。再來看一下之前的Class文件例子:

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結合之前javap分析出來的常量池內容:

   #3 = Class         #17        // OneMoreStudy
   #4 = Class         #18        // java/lang/Object
  #17 = Utf8          OneMoreStudy
  #18 = Utf8          java/lang/Object

類索引為0x0003,去常量池裡找索引為3的類描述符,類描述符中的索引為17,再去找索引為17的字符串,就是“OneMoreStudy”。

父類索引為0x0004,去常量池裡找索引為4的類描述符,類描述符中的索引為18,再去常量池裡找索引為18的字符串,就是“java/lang/Object”。

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接口索引集合

接口索引集合(interface)是一組u2類型的數據的集合,由於java語言允許實現多個接口,所以接口索引也有多個,它們按照implements語句后的接口順序從左到右依次排列在接口索引集合中。接口索引集合的第一項數據是接口集合計數值(interfaces_count),表示有多少接口索引。如果該類沒有實現任何接口,那麼該計數值為0,後面的接口索引表不佔任何字節。之前的例子OneMoreStudy類沒有實現任何接口,所以接口集合計數值就是0,如下圖:

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字段表集合

字段表(field_info)是用來描述接口或類中聲明的變量。包括類級變量(靜態變量)和實例級變量(成員變量),但是不包括在方法內部聲明的局部變量。具體結構如下錶:

類型 名稱 數量 描述
u2 access_flags 1 字段的訪問標誌
u2 name_index 1 字段的簡單名稱索引
u2 descriptor_index 1 字段的描述符索引
u2 attributes_count 1 字段的屬性計數值
attribute_info attributes attributes_count 字段的屬性

字段表中的access_flags,和類的access_flags是非常類似的,但是標識和含義是不一樣的。具體如下錶:

標誌名稱 標誌值 含義
ACC_PUBLIC 0x0001 字段是否public
ACC_PRIVATE 0x0002 字段是否private
ACC_PROTECTED 0x0004 字段是否protected
ACC_STATIC 0x0008 字段是否static
ACC_FINAL 0x0010 字段是否為final
ACC_VOLATILE 0x0040 字段是否volatile
ACC_TRANSIENT 0x0080 字段是否transient
ACC_SYNTHETIC 0x1000 字段是否由編譯器自動產生的
ACC_ENUM 0x4000 字段是否enum

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這裏提到了簡單名稱、描述符,和全限定名有什麼區別呢?稍微說一下。

簡單名稱是沒有類型和參數修飾的方法或字段名稱,比如OneMoreStudy類中的number字段和plusOne()方法的簡單名稱分別是“number”和“plusOne”。

全限定名是把類全名中的“.”替換成“/”就可以了,比如java.lang.Object類的全限定名就是“java/lang/Object”。

描述符是用來描述字段的數據類型、方法的參數列表(包括數量、類型以及順序)和返回值。基礎數據類型和無返回的void類型都有一個大寫字母表示,對象類型用字符L加對象的全限定名來表示,如下錶:

標識字符 含義
B 基本類型byte
C 基本類型char
D 基本類型double
F 基本類型float
I 基本類型int
J 基本類型long
S 基本類型short
Z 基本類型boolean
V 特殊類型void
L 對象類型 如 Ljava/lang/Object

對於數組類型,每一維度使用一個前置的“[”字符來描述,比如java.lang.Object[][]的二維數據,就是“[[Ljava/lang/Object”。在描述方法時,按照先參數列表,后返回值的順序描述,參數列表按照嚴格順序放在“()”值中,比如boolean equals(Object anObject),就是“(Ljava/lang/Object)B”。

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再來看一下之前的Class文件例子:

OneMoreStudy類中只有一個字段number,所以字段計數值為0x0001。字段number只被private修飾,沒有其他修飾,所以字段的訪問標誌位為0x0002。字段的簡單名稱索引是0x0005,去常量池中找索引為5的字符串,為“number”。字段的描述符索引為0x0006,去常量池中找索引為6的字符串,為“I”,是基本類型int。以下是常量池相關內容:

   #5 = Utf8          number
   #6 = Utf8          I

字段number的屬性計數值為0x0000,也就是沒有需要額外描述的信息。

字段表集合中不會列出從父類或者父接口中繼承而來的字段,但有可能列出原版Java代碼中沒有的字段,比如在內部類中為了保持對外部類的訪問性,會自動添加指向外部類實例的字段。

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方法表集合

方法表的結構和字段表的是一樣的,也是依次包括了訪問標誌(access_flags)、名稱索引(name_index)、描述符索引(descriptor_index)和屬性表集合(attributes)。具體如下錶:

類型 名稱 數量 描述
u2 access_flags 1 方法的訪問標誌
u2 name_index 1 方法的簡單名稱索引
u2 descriptor_index 1 方法的描述符索引
u2 attributes_count 1 方法的屬性計數值
attribute_info attributes attributes_count 方法的屬性

對於方法的訪問標誌,所有標誌位和取值如下錶:

標誌名稱 標誌值 含義
ACC_PUBLIC 0x0001 方法是否public
ACC_PRIVATE 0x0002 方法是否private
ACC_PROTECTED 0x0004 方法是否protected
ACC_STATIC 0x0008 方法是否static
ACC_FINAL 0x0010 方法是否為final
ACC_SYNCHRONIZED 0x0020 方法是否sychronized
ACC_BRIDGE 0x0040 方法是否是由編譯器產生的橋接方法
ACC_VARARGS 0x0080 方法是否接受不定參數
ACC_NATIVE 0x0100 方法是否為native
ACC_ABSTRACT 0x0400 方法是否為abstract
ACC_STRICT 0x0800 方法是否為strictfp
ACC_SYNTHETIC 0x1000 方法是否由編譯器自動產生

方法中的Java代碼,經過編譯器編程成字節碼指令后,放在方法屬性表集合中一個名為“Code”的屬性里,後面會有更多分享。

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再來看一下之前的Class文件例子:

方法計算值為0x0003,表示集合中有兩個方法(編譯器自動添加的無參構造方法和源碼中的plusOne方法)。第一個方法的訪問標誌是0x0001,表示只有ACC_PUBLIC標誌為true。

名稱索引為0x0007,在常量池中為索引為7的字符串為“ ”,這就是編譯器自動添加的無參構造方法。描述符索引為0x0008,在常量池中為索引為7的字符串為“()V”,方法的屬性計數值為0x0001,表示該方法有1個屬性,屬性名稱索引為0x0009,在常量池中為索引為7的字符串為“Code”。以下是常量池相關內容:

   #7 = Utf8          <init>
   #8 = Utf8          ()V
   #9 = Utf8          Code

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屬性表集合

屬性表(attribute_info)在前面的分享中出現了幾次,在Class文件、字段表、方法表都可以有自己的屬性表集合,用來描述某些場景下特有的信息。

屬性表不在要求具有嚴格的順序,並且只要不與已有的屬性名重複,任何人實現的編譯器都可以寫入自己定義的屬性信息,Java虛擬機在運行時會忽略掉它不認識的屬性。

我總結了一些比較常見的屬性,如下錶:

屬性名稱 使用位置 含義
Code 方法表 Java代碼編譯成的字節碼指令
ConstantValue 字段表 final關鍵字定義的常量值
Exceptions 方法表 方法拋出的異常
InnerClasses 類文件 內部類列表
LineNumberTable Code屬性 Java源碼的行號與字節碼指定的對應關係
LocalVariableTable Code屬性 方法的局部變量描述
SourceFile 類文件 記錄源文件名稱

對於每個屬性,它的名稱都從常量池中引用一個CONSTANT_Utf8_info類型的常量,而屬性值的結構則是完全自定義的,只需要用一個u4類型來說明屬性值所佔的位數就可以了。具體結構如下:

類型 名稱 數量 含義
u2 attribute_name_index 1 屬性名稱索引
u2 attribute_length 1 屬性值所佔的位數
u1 info attribute_length 屬性值

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總結

Class文件主要由魔數、次版本號、主版本號、常量池集合、訪問標誌、類索引、父類索引、接口索引集合、字段表集合、方法表集合和屬性表集合組成。隨着JDK版本的不斷升級,Class文件結構也在不斷更新,學習之路,永不止步。

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