歡迎來到“Under The Hood”第二期。上期我們討論了抽象計(jì)算機(jī)JVM。如果你對(duì)JVM還很陌生，你可以去看看上期的文章。本期，我們稍稍窺探一下Java類文件的基本結(jié)構(gòu)。
為旅行而生
Java類文件（.class文件）是一個(gè)為已編譯Java程序仔細(xì)定義的格式。Java源代碼被編譯成能夠被任何JVM加載和執(zhí)行的類文件。在被JVM加載之前，類文件可能是由網(wǎng)絡(luò)傳輸而來。
類文件是獨(dú)立于底層平臺(tái)的，所以適用于更多的地方。它們由簡潔的JVM字節(jié)碼組成，這樣就能輕裝上陣。類文件常常被壓縮，以極快的速度通過網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)世界各地的JVM。
類文件里有什么？
Java類文件包含JVM需要知道的關(guān)于一個(gè)Java類或接口的一切。按照它們的出現(xiàn)次序，主要的部分有：魔法數(shù)（magic），版本號(hào)（version），常量池（constant pool），訪問標(biāo)示符區(qū)（access flags），當(dāng)前類區(qū)（this class），超類區(qū)（super class），父接口區(qū)（interfaces），字段區(qū)（fields），方法列表區(qū)（methods），屬性區(qū)（attributes）。
保存在類文件中的信息經(jīng)常在長度上有變化，所以信息的實(shí)際長度在被加載之前不能被預(yù)測。例如，在方法區(qū)里的方法數(shù)目，類與類之間是不相同的，這取決于源代碼中定義的方法個(gè)數(shù)。類文件中，這些信息的實(shí)際大小或長度，被安排在信息內(nèi)容之前。這樣，當(dāng)類文件被JVM加載時(shí)，可變信息的長度首先被讀取。一旦JVM知道信息的大小，它就能正確的讀取實(shí)際的信息內(nèi)容。
類文件中，不同的相鄰信息之間通常沒有空白或填充字符；一切都以字節(jié)（byte）邊界對(duì)齊。這使得類文件很小，適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。
為了讓JVM在加載類文件時(shí)，知道需要什么信息以及從哪里可以取得所需信息，類文件的各個(gè)組成部分的次序是嚴(yán)格定義的。例如，每個(gè)JVM都知道類文件的前8個(gè)字節(jié)由魔法數(shù)和版本號(hào)組成，常量池從第9個(gè)字節(jié)開始，訪問標(biāo)示符區(qū)緊跟在常量池后面。但是，因?yàn)槌Ａ砍氐拈L度是可變的，在讀取完常量池之前，JVM是不知道訪問標(biāo)示符區(qū)具體從什么地方開始。一旦讀取完常量池，JVM就知道接下來的2個(gè)字節(jié)就是訪問標(biāo)示符區(qū)。
魔法數(shù)（Magic）和版本號(hào)（Version）
每個(gè)類文件的開始4個(gè)字節(jié)都是0xCAFEBABE。這個(gè)神奇的數(shù)字讓Java類文件更容易識(shí)別，因?yàn)轭愇募酝獾奈募缀醪豢赡芤惨赃@四個(gè)相同的字節(jié)開頭。之所以稱之為魔法數(shù)，是因?yàn)樗梢员晃募袷皆O(shè)計(jì)者們從帽子里拉出來(??)。對(duì)它僅有的要求是，不能被現(xiàn)實(shí)已有的文件格式占用。根據(jù)最初Java團(tuán)隊(duì)主要成員之一的Patrick Naughton所說，遠(yuǎn)在“Java”被當(dāng)作Java語言的名稱之前，這個(gè)神奇的數(shù)字就已經(jīng)被選好了。我們當(dāng)時(shí)在尋找一個(gè)有趣，獨(dú)特并且很容易記住的數(shù)字。0xCAFEBABE作為漂亮的Peet’s Coffee的咖啡師的代稱，能預(yù)示未來Java語言的名字，這完全是一個(gè)巧合。
類文件接下來的4個(gè)字節(jié)包含了大版本號(hào)（major version）和小版本號(hào)（minor version）。這些數(shù)字標(biāo)識(shí)了特定類文件使用的類文件格式，讓JVM可以驗(yàn)證類文件是否可以被載入。每個(gè)JVM都有一個(gè)它能載入的最大版本號(hào)，拒絕加載大于最大版本號(hào)的類文件。
常量池（Constant Pool）
類文件在常量池中保存與類或接口關(guān)聯(lián)的常量。常量池中能看到的部分常量是字符串字面值（literal strings），final變量的值（final variable values），類名，接口名，變量名和變量類型，方法名和方法簽名（method names and signatures）。方法簽名由方法返回值類型（return type）和一組參數(shù)類型（argument types）組成。
常量池被組織成一個(gè)元素長度可變的數(shù)組。每個(gè)常量占據(jù)數(shù)組中的一個(gè)元素。在整個(gè)類文件中，常量通過指示它們?cè)跀?shù)組中位置的整型索引來引用。第一個(gè)常量的索引值是1，第二個(gè)是2，以此類推。常量池?cái)?shù)組的元素個(gè)數(shù)寫在常量池的前面，所以在加載類文件時(shí)，JVM知道它需要加載多少常量。
常量池中每個(gè)元素以指明自己類型的單字節(jié)標(biāo)簽（tag）開始。一旦JVM看到這個(gè)標(biāo)簽，就能知道接下來會(huì)遇到什么類型的常量。例如，如果看到一個(gè)表示字符串的標(biāo)簽，JVM會(huì)認(rèn)為接下來2個(gè)字節(jié)就是字符串的長度，然后就是“長度”個(gè)字節(jié)組成的字符串。
在本文剩下的部分，我有時(shí)會(huì)用constant_pool[n]表示常量池?cái)?shù)組的第n個(gè)元素。從常量池組織的像個(gè)數(shù)組來說，這是有道理的；但是請(qǐng)記住，這些元素具有不同的大小和類型，并且第一個(gè)元素的索引是1。
訪問標(biāo)識(shí)符區(qū)（Access Flags）
常量池之后的2個(gè)字節(jié)就是訪問標(biāo)示符，它表明該文件定義的是類還是接口；該類或接口是公開的（public）還是抽象的（abstract）；如果是類，該類是不是final的。
當(dāng)前類區(qū)（This class）
接下來2個(gè)字節(jié)是當(dāng)前類區(qū)，它是常量池?cái)?shù)組的索引。被當(dāng)前類引用的常量constant_pool[this_class]，包含兩部分：單字節(jié)標(biāo)簽（tag）和雙字節(jié)名稱索引（name index）。標(biāo)簽等于CONSTANT_Class，一個(gè)表示本元素中包含類或接口信息的值。constant_pool[name_index]是一個(gè)包含類或接口名的字符串常量。
當(dāng)前類部分稍稍揭示了常量池是怎么被使用的。當(dāng)前類區(qū)本身只是一個(gè)常量池的索引。當(dāng)JVM查找constant_pool[this_class]時(shí)，它找到一個(gè)用標(biāo)簽表明自己是一個(gè)CONSTANT_Class得元素。JVM知道CONSTANT_Class元素在標(biāo)簽（tag）之后，總是有一個(gè)叫名稱索引（name index）的常量池雙字節(jié)索引。然后它查找constant_pool[name_index]，得到包含類或接口名的字符串。
超類區(qū)（Super class）
當(dāng)前類區(qū)之后是超類區(qū)，也是2個(gè)字節(jié)的常量池索引。constant_pool[super_class]是CONSTANT_Class元素，它指向當(dāng)前類所直接繼承的超類名。
接口區(qū)（Interfaces）
接口區(qū)開頭的2個(gè)字節(jié)，表示文件所定義的類（或接口）實(shí)現(xiàn)的接口數(shù)目。緊接著是一個(gè)數(shù)組，它包含了類所實(shí)現(xiàn)的每一個(gè)接口在常量池中的索引。
每個(gè)接口都是常量池中的CONSTANT_Class元素，它指向接口名。
字段區(qū)（Fields）
字段部分，以表示該類或接口包含的字段數(shù)的2個(gè)字節(jié)開始。字段是一個(gè)實(shí)例變量，或者是類或接口的類變量。接下來是一個(gè)以可變長結(jié)構(gòu)為元素的數(shù)組，一個(gè)結(jié)構(gòu)一個(gè)字段。每個(gè)結(jié)構(gòu)都包含一個(gè)字段的相關(guān)信息，如字段名，字段類型，如果是final變量，還包括字段值。部分信息在結(jié)構(gòu)當(dāng)中，另一部分在常量池中由結(jié)構(gòu)所指向的位置。
這部分僅有的字段，都是由定義在該類文件中的類或接口聲明的變量；繼承自超類或接口的字段不在此列。
方法區(qū)（Methods）
方法部分，以表示類或接口中方法數(shù)目的2字節(jié)開始。這個(gè)數(shù)目，只包含當(dāng)前類顯式定義的方法，不包括繼承自超類的方法。數(shù)目之后是方法本身。
表示每個(gè)方法的結(jié)構(gòu)包含方法相關(guān)的幾條信息，包括方法描述符（method descriptor，包括返回值類型和參數(shù)列表），方法本地變量需要的棧字（stack words）數(shù)，方法操作數(shù)棧（operand stack）需要的最大棧字?jǐn)?shù)，方法捕獲的異常表，字節(jié)碼序列和行號(hào)表。
屬性區(qū)（Attributes）
排在最后的是屬性區(qū)，它提供定義在類文件中的特定類或接口的一般信息。屬性區(qū)以2字節(jié)的屬性數(shù)目開始，然后是屬性本身。比如一個(gè)表示源碼屬性的屬性：它表示當(dāng)前類被編譯而來的源文件名。JVM會(huì)悄悄地忽略任何它們識(shí)別不了的屬性。
本文譯自：The Java class file lifestyle