一、Java Class文件是什么
《The JavaTM Virtual Machine Specification》(Second Edtion)中有表述：Java Class文件由8位字節流組成，所有的16位、32位和64位數據分別通過讀入2個、4個和8個字節來構造，多字節數據總是按照Big-endian順序來存放，即高位字節在前(放在低地址)。每個Class文件都包含且僅包含一個Java類型(類或者接口)。
或許，《The JavaTM Virtual Machine Specification》中的表述不夠明確，那么我們可以參考一下《Inside the Java Virtual Machine》(Second Edtion)中的表述：Java Class文件特指以.class為后綴名的Java虛擬機可裝載的文件。
分析一下兩者的表述，我覺得都不夠全面、不夠明確。我是這么定義的：Java Class文件就是指符合特定格式的字節流組成的二進制文件。這個特定的格式就是指第二節要討論的Class文件格式，亦即在《The JavaTM Virtual Machine Specification》中定義的Class文件格式。從另一個角度來說，這個特定格式就是指JVM能夠識別、能夠裝載的格式。為什么這么說呢？因為JVM在裝載class文件時，要進行class文件驗證，以保證裝載的class文件內容符合正確的內部結構。這個內部結構指的就是這個特定格式，只要是符合這個特定格式的Class文件都是合法的、規范的Class文件，都是JVM能夠裝載的Class文件。如果覺得這樣的表述還是不夠明確，我只能建議你讀完這篇
文章之后再回頭來理解看看了J
為了討論方便，在下文中將對這兩個參考資料做個簡記：
1)《The Java Virtual Machine Specification》(Second Edtion)簡記為《JVM Spec》(2nded)。
2)《Inside the Java Virtual Machine》(Second Edtion) 簡記為《Inside JVM》(2nded)。
二、Java Class文件的格式
在講Class文件的格式之前，要介紹三個概念：
1)數據類型：《JVM Spec》(2nded)中指出，Java Class文件的數據用自己定義的一個數據類型集來表示，即u1，u2，u4，分別用于表示一個無符號類型的、占1，2，4個字節的數據。在《Inside JVM》(2nded)一書中，作者把這個數據類型集稱之為Class文件的基本類型，本人覺得比較形象，便于理解。所以，在本文中，我們也用基本類型來表示Java Class文件的數據。
2)表：根據《JVM Spec》(2nded)中的定義，表(table)由項（定義見3）組成，用于幾種Class文件結構中。《JVM Spec》(2nded)中指出，Java Class文件格式用一個類似于C結構的記號編寫的偽結構來表示。這個偽結構指的就是這里的表，例如下面的ClassFile表就是這種偽結構的一個典型例子，下文中所有的表都是指這種偽結構的表。表的大小是可變的，這是因為它的組成部分項是可變的。注意；這里的可變是針對Class層次而言的，即在不同的Class文件中該項的大小可能不一樣的，但是對于每一個具體的Class文件來說，這個項的大小又是一定的，因而這個表的大小也是一定的。那么，項為什么是可變的呢？請看下面的分析。
3)項：描述Java Class文件格式的結構的內容稱為項(items)。每個項都有自己的類型和名稱。項的類型可能是基本類型，也可能是一個表的名字，這種項都是一些數組項。數組項的每一個元素都是一個表，這個表同頂層的ClassFile表一樣，也都是一種偽結構，也都是由一些項構成的，而且這些表不一定是同一種格式的，因此數組項也可以看作一個可變大小的結構流J。這些表對于該數組項來說就是子項，當然子項可能還有子項(目前子項的深度最多就兩層)。項的名稱，沒有什么好說的，就是《JVM Spec》(2nded)中指定的一些名稱。另外，項也是有大小的，對于沒有子項的項來說，其大小是固定的；對于有子項的項來說，其大小是可變的。在一個具體的Class文件中，一個可變項(數組)的大小都會在其前一項中指定，為什么會是這樣的呢？因為《JVM Spec》(2nded)中就是這么定義的！在Class文件中，每個項按規范中定義好的順序存儲在Class文件中，相鄰的項之間沒有任何間隔，連續的項（數組）也是按順序存儲，不進行填充或者對齊，這樣可以使Class文件緊湊。
好了，我想這三個概念我已經解釋地比較清楚了，下面開始正式解析Class文件的格式。
首先要來解析一下ClassFile表結構，這是《JVM Spec》(2nded)中定義的Class文件最外層的結構，換言之，就是Class文件的格式。
ClassFile表結構
ClassFile { u4 magic; u2 minor_version; u2 major_version; u2 constant_pool_count; cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; u2 access_flags; u2 this_Class; u2 super_Class; u2 interfaces_count; u2 interfaces[interfaces_count]; u2 fields_count; field_info fields[fields_count]; u2 methods_count; method_info methods[methods_count]; u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count]; } |
ClassFile表結構由16個不同的項組成，其中的各項可以簡要地分析如下：
(1) magic
每個Class文件的前4個字節被稱為它的魔數（magic number）: 0xCAFEBABE。魔數的作用在于：可以輕松地分辨出Java Class文件和非Java Class文件。（如果一個文件不是以0xCAFEBABE開頭，它就肯定不是Java Class文件，因為它不符合規范J）。當Java還稱為“Oak”的時候，這個魔數就已經定下來了，它預示了Java這個名字的出現。魔數的來歷請大家自己查閱J
(2) minor_version和major_version
Class文件的下面4個字節包含了次、主版本號。通常只有給定主版本號和一系列次版本號后，Java虛擬機才能夠讀取Class文件。如果Class文件的版本號超出了Java虛擬機所能夠處理的有效范圍，Java虛擬機將不會處理該Class文件。例如J2SE5.0版本的虛擬機就不能執行由J2SE6.0版本的編譯器編譯出來的Class文件。
(3) constant_pool_count
版本號后面的項是constant_pool_count即常量池計數項，該項的值必須大于零，它給出該Class文件中常量池列表項的元素個數，這個計數項包括了索引為0的constant_pool表項，但是該表項不出現在Class文件的constant_pool列表中，因為它被保留為Java虛擬機內部實現使用了，因此常量池列表的元素個數constant_pool_count-1，各個常量池表項的索引值分別為1到constant_pool_count-1。
注：在這里，有幾個術語需要解釋一下，常量池即為constant_pool，常量池列表就是指constant_pool[ ]，常量池表項即指常量池列表中的某一個具體的表項(元素)。這些常量池表項的可能類型如下述的cp_type表所示：
cp_type
入口類型 標志值
CONSTANT_Class 7
CONSTANT_Fieldref 9
CONSTANT_Methodref 10
CONSTANT_InterfaceMethodref 11
CONSTANT_String 8
CONSTANT_Integer 3
CONSTANT_Float 4
CONSTANT_Long 5
CONSTANT_Double 6
CONSTANT_NameAndType 12
CONSTANT_Utf8 1
(4) constant_pool[ ]
constant_pool_count項下面是constant_pool[ ]項，即常量池列表，其中存儲了該ClassFile結構及其子結構中引用的各種常量，諸如文字字符串、final變量值、類名和方法名等等。在Java Class文件中，常量池表項是用一個cp_info結構來描述的，常量池列表就是由constant_pool_count-1個連續的、可變長度的cp_info表結構構成的constant_pool[ ]數組。為什么是constant_pool_count-1個constant_pool的原因，在上面已經解釋了。每一個常量池表項都是一個變長結構，其通常格式如下所示：
cp_info
cp_info表的tag項是一個無符號的byte類型值，它表明了cp_info表的類型和格式，具體的tag類型見上表。
需要說明的是，cp_info只是一個抽象的概念，在Class文件中，它表現為一系列具體的、形如CONSTANT_Xxxx_info的constant_pool結構，其具體的格式由cp_info表的tag項（即第一個字節）來確定。不同的cp_info表，其info[]項也是不一樣的，例如，CONSTANT_Class_info表的info[]項為“u2 name_index”，而CONSTANT_Utf8_info表的info[]項為“u2 length; u1 bytes[length];”，顯然，這兩個cp_info表是不一樣的，大小更是不一樣的，因而常量池表項的大小是可變的。由于常量池列表中的每個常量池表項的結構是不一樣，因此常量池列表的大小也是可變的。在Class文件中，常量池列表項是一個可變長度的結構流。
由cp_info表以及cp_type表我們可以知道，若cp_info表中tag(標志)項的值為1時，當前的cp_info就是一個CONSTANT_Utf8_info表結構，若cp_info表中tag項的值為3，當前的cp_info就是一個CONSTANT_Integer_info表結構，其它情況類推。這些表的結構可以查閱《JVM Spec》(2nded)的第四章或者《Inside JVM》(2nded)的第六章。
(5) access_flags
緊接常量池后的兩個字節稱為access_flags，access_flags項描述了該Java類型的一些訪問標志信息。例如，訪問標志指明文件中定義的是類還是接口；訪問標志還定義了在類或接口的聲明中，使用了哪些修飾符；類和接口是抽象的還是公共的等等。實際上，access_flags項的值是Java類型聲明中使用的訪問標志符的掩碼(mask，這里掩碼指的是access_flags的值是所有訪問標志值的總和，當然，未被使用的標志位在Class文件中都被設置為0。例如，若access_flags的值就是0x0001，就表示該Java類型的訪問標志符是ACC_PUBLIC；若access_flags的值是0x0011，就表示該Java類型的訪問標志符是ACC_PUBLIC和ACC_FINAL，因為只有這兩個標志位的和才可能是0x0011；其它情況類推)。
一個Java類型的所有access_flags標志符如下表所示：
access_flags
標志名稱 值 含義
ACC_PUBLIC 0x0001 聲明為public，可以從它的包外訪問
ACC_FINAL 0x0010 聲明為final，不允許有子類
ACC_SUPER 0x0020 用invokespecial指令處理超類的調用
ACC_INTERFACE 0x0200 表明是一個接口，而不是一個類
ACC_ABSTRACT 0x0400 聲明為abstract，不能被實例化
需要說明的是，這是針對一個Java類型的訪問標志符列表，有的標志符只有類可以使用，有的標志符只有接口才可以使用，詳情請查閱《JVM Spec》(2nded)。
ClassFile表結構由16個不同的項組成，其中的各項可以簡要地分析如下：
(1) magic
每個Class文件的前4個字節被稱為它的魔數（magic number）: 0xCAFEBABE。魔數的作用在于：可以輕松地分辨出Java Class文件和非Java Class文件。（如果一個文件不是以0xCAFEBABE開頭，它就肯定不是Java Class文件，因為它不符合規范J）。當Java還稱為“Oak”的時候，這個魔數就已經定下來了，它預示了Java這個名字的出現。魔數的來歷請大家自己查閱J
(2) minor_version和major_version
Class文件的下面4個字節包含了次、主版本號。通常只有給定主版本號和一系列次版本號后，Java虛擬機才能夠讀取Class文件。如果Class文件的版本號超出了Java虛擬機所能夠處理的有效范圍，Java虛擬機將不會處理該Class文件。例如J2SE5.0版本的虛擬機就不能執行由J2SE6.0版本的編譯器編譯出來的Class文件。
(3) constant_pool_count
版本號后面的項是constant_pool_count即常量池計數項，該項的值必須大于零，它給出該Class文件中常量池列表項的元素個數，這個計數項包括了索引為0的constant_pool表項，但是該表項不出現在Class文件的constant_pool列表中，因為它被保留為Java虛擬機內部實現使用了，因此常量池列表的元素個數constant_pool_count-1，各個常量池表項的索引值分別為1到constant_pool_count-1。
注：在這里，有幾個術語需要解釋一下，常量池即為constant_pool，常量池列表就是指constant_pool[ ]，常量池表項即指常量池列表中的某一個具體的表項(元素)。這些常量池表項的可能類型如下述的cp_type表所示：
cp_type
入口類型 標志值
CONSTANT_Class 7
CONSTANT_Fieldref 9
CONSTANT_Methodref 10
CONSTANT_InterfaceMethodref 11
CONSTANT_String 8
CONSTANT_Integer 3
CONSTANT_Float 4
CONSTANT_Long 5
CONSTANT_Double 6
CONSTANT_NameAndType 12
CONSTANT_Utf8 1
(4) constant_pool[ ]
constant_pool_count項下面是constant_pool[ ]項，即常量池列表，其中存儲了該ClassFile結構及其子結構中引用的各種常量，諸如文字字符串、final變量值、類名和方法名等等。在Java Class文件中，常量池表項是用一個cp_info結構來描述的，常量池列表就是由constant_pool_count-1個連續的、可變長度的cp_info表結構構成的constant_pool[ ]數組。為什么是constant_pool_count-1個constant_pool的原因，在上面已經解釋了。每一個常量池表項都是一個變長結構，其通常格式如下所示：
cp_info
cp_info表的tag項是一個無符號的byte類型值，它表明了cp_info表的類型和格式，具體的tag類型見上表。
需要說明的是，cp_info只是一個抽象的概念，在Class文件中，它表現為一系列具體的、形如CONSTANT_Xxxx_info的constant_pool結構，其具體的格式由cp_info表的tag項（即第一個字節）來確定。不同的cp_info表，其info[]項也是不一樣的，例如，CONSTANT_Class_info表的info[]項為“u2 name_index”，而CONSTANT_Utf8_info表的info[]項為“u2 length; u1 bytes[length];”，顯然，這兩個cp_info表是不一樣的，大小更是不一樣的，因而常量池表項的大小是可變的。由于常量池列表中的每個常量池表項的結構是不一樣，因此常量池列表的大小也是可變的。在Class文件中，常量池列表項是一個可變長度的結構流。
由cp_info表以及cp_type表我們可以知道，若cp_info表中tag(標志)項的值為1時，當前的cp_info就是一個CONSTANT_Utf8_info表結構，若cp_info表中tag項的值為3，當前的cp_info就是一個CONSTANT_Integer_info表結構，其它情況類推。這些表的結構可以查閱《JVM Spec》(2nded)的第四章或者《Inside JVM》(2nded)的第六章。
(5) access_flags
緊接常量池后的兩個字節稱為access_flags，access_flags項描述了該Java類型的一些訪問標志信息。例如，訪問標志指明文件中定義的是類還是接口；訪問標志還定義了在類或接口的聲明中，使用了哪些修飾符；類和接口是抽象的還是公共的等等。實際上，access_flags項的值是Java類型聲明中使用的訪問標志符的掩碼(mask，這里掩碼指的是access_flags的值是所有訪問標志值的總和，當然，未被使用的標志位在Class文件中都被設置為0。例如，若access_flags的值就是0x0001，就表示該Java類型的訪問標志符是ACC_PUBLIC；若access_flags的值是0x0011，就表示該Java類型的訪問標志符是ACC_PUBLIC和ACC_FINAL，因為只有這兩個標志位的和才可能是0x0011；其它情況類推)。
一個Java類型的所有access_flags標志符如下表所示：
access_flags
標志名稱 值 含義
ACC_PUBLIC 0x0001 聲明為public，可以從它的包外訪問
ACC_FINAL 0x0010 聲明為final，不允許有子類
ACC_SUPER 0x0020 用invokespecial指令處理超類的調用
ACC_INTERFACE 0x0200 表明是一個接口，而不是一個類
ACC_ABSTRACT 0x0400 聲明為abstract，不能被實例化
需要說明的是，這是針對一個Java類型的訪問標志符列表，有的標志符只有類可以使用，有的標志符只有接口才可以使用，詳情請查閱《JVM Spec》(2nded)。