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(jié)流組成，所有的16位、32位和64位數(shù)據(jù)分別通過讀入2個(gè)、4個(gè)和8個(gè)字節(jié)來構(gòu)造，多字節(jié)數(shù)據(jù)總是按照Big-endian順序來存放，即高位字節(jié)在前(放在低地址)。每個(gè)Class文件都包含且僅包含一個(gè)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(jī)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(jié)流組成的二進(jìn)制文件。這個(gè)特定的格式就是指第二節(jié)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(gè)角度來說，這個(gè)特定格式就是指JVM能夠識(shí)別、能夠裝載的格式。為什么這么說呢？因?yàn)镴VM在裝載class文件時(shí)，要進(jìn)行class文件驗(yàn)證，以保證裝載的class文件內(nèi)容符合正確的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)指的就是這個(gè)特定格式，只要是符合這個(gè)特定格式的Class文件都是合法的、規(guī)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(gè)參考資料做個(gè)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(gè)概念：
1)數(shù)據(jù)類型：《JVM Spec》(2nded)中指出，Java Class文件的數(shù)據(jù)用自己定義的一個(gè)數(shù)據(jù)類型集來表示，即u1，u2，u4，分別用于表示一個(gè)無符號(hào)類型的、占1，2，4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。在《Inside JVM》(2nded)一書中，作者把這個(gè)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。
2)表：根據(jù)《JVM Spec》(2nded)中的定義，表(table)由項(xiàng)（定義見3）組成，用于幾種Class文件結(jié)構(gòu)中。《JVM Spec》(2nded)中指出，Java Class文件格式用一個(gè)類似于C結(jié)構(gòu)的記號(hào)編寫的偽結(jié)構(gòu)來表示。這個(gè)偽結(jié)構(gòu)指的就是這里的表，例如下面的ClassFile表就是這種偽結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型例子，下文中所有的表都是指這種偽結(jié)構(gòu)的表。表的大小是可變的，這是因?yàn)樗慕M成部分項(xiàng)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(xiàng)的大小可能不一樣的，但是對于每一個(gè)具體的Class文件來說，這個(gè)項(xiàng)的大小又是一定的，因而這個(gè)表的大小也是一定的。那么，項(xiàng)為什么是可變的呢？請看下面的分析。
3)項(xiàng)：描述Java Class文件格式的結(jié)構(gòu)的內(nèi)容稱為項(xiàng)(items)。每個(gè)項(xiàng)都有自己的類型和名稱。項(xiàng)的類型可能是基本類型，也可能是一個(gè)表的名字，這種項(xiàng)都是一些數(shù)組項(xiàng)。數(shù)組項(xiàng)的每一個(gè)元素都是一個(gè)表，這個(gè)表同頂層的ClassFile表一樣，也都是一種偽結(jié)構(gòu)，也都是由一些項(xiàng)構(gòu)成的，而且這些表不一定是同一種格式的，因此數(shù)組項(xiàng)也可以看作一個(gè)可變大小的結(jié)構(gòu)流J。這些表對于該數(shù)組項(xiàng)來說就是子項(xiàng)，當(dāng)然子項(xiàng)可能還有子項(xiàng)(目前子項(xiàng)的深度最多就兩層)。項(xiàng)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(xiàng)也是有大小的，對于沒有子項(xiàng)的項(xiàng)來說，其大小是固定的；對于有子項(xiàng)的項(xiàng)來說，其大小是可變的。在一個(gè)具體的Class文件中，一個(gè)可變項(xiàng)(數(shù)組)的大小都會(huì)在其前一項(xiàng)中指定，為什么會(huì)是這樣的呢？因?yàn)椤禞VM Spec》(2nded)中就是這么定義的！在Class文件中，每個(gè)項(xiàng)按規(guī)范中定義好的順序存儲(chǔ)在Class文件中，相鄰的項(xiàng)之間沒有任何間隔，連續(xù)的項(xiàng)（數(shù)組）也是按順序存儲(chǔ)，不進(jìn)行填充或者對齊，這樣可以使Class文件緊湊。
好了，我想這三個(gè)概念我已經(jīng)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(jié)構(gòu)，這是《JVM Spec》(2nded)中定義的Class文件最外層的結(jié)構(gòu)，換言之，就是Class文件的格式。
ClassFile表結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)由16個(gè)不同的項(xiàng)組成，其中的各項(xiàng)可以簡要地分析如下：
(1) magic
每個(gè)Class文件的前4個(gè)字節(jié)被稱為它的魔數(shù)（magic number）: 0xCAFEBABE。魔數(shù)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(gè)文件不是以0xCAFEBABE開頭，它就肯定不是Java Class文件，因?yàn)樗环弦?guī)范J）。當(dāng)Java還稱為“Oak”的時(shí)候，這個(gè)魔數(shù)就已經(jīng)定下來了，它預(yù)示了Java這個(gè)名字的出現(xiàn)。魔數(shù)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(gè)字節(jié)包含了次、主版本號(hào)。通常只有給定主版本號(hào)和一系列次版本號(hào)后，Java虛擬機(jī)才能夠讀取Class文件。如果Class文件的版本號(hào)超出了Java虛擬機(jī)所能夠處理的有效范圍，Java虛擬機(jī)將不會(huì)處理該Class文件。例如J2SE5.0版本的虛擬機(jī)就不能執(zhí)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(hào)后面的項(xiàng)是constant_pool_count即常量池計(jì)數(shù)項(xiàng)，該項(xiàng)的值必須大于零，它給出該Class文件中常量池列表項(xiàng)的元素個(gè)數(shù)，這個(gè)計(jì)數(shù)項(xiàng)包括了索引為0的constant_pool表項(xiàng)，但是該表項(xiàng)不出現(xiàn)在Class文件的constant_pool列表中，因?yàn)樗槐Ａ魹镴ava虛擬機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)使用了，因此常量池列表的元素個(gè)數(shù)constant_pool_count-1，各個(gè)常量池表項(xiàng)的索引值分別為1到constant_pool_count-1。
注：在這里，有幾個(gè)術(shù)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(xiàng)即指常量池列表中的某一個(gè)具體的表項(xiàng)(元素)。這些常量池表項(xiàng)的可能類型如下述的cp_type表所示：
cp_type
入口類型 標(biāo)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(xiàng)下面是constant_pool[ ]項(xiàng)，即常量池列表，其中存儲(chǔ)了該ClassFile結(jié)構(gòu)及其子結(jié)構(gòu)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(xiàng)是用一個(gè)cp_info結(jié)構(gòu)來描述的，常量池列表就是由constant_pool_count-1個(gè)連續(xù)的、可變長度的cp_info表結(jié)構(gòu)構(gòu)成的constant_pool[ ]數(shù)組。為什么是constant_pool_count-1個(gè)constant_pool的原因，在上面已經(jīng)解釋了。每一個(gè)常量池表項(xiàng)都是一個(gè)變長結(jié)構(gòu)，其通常格式如下所示：
cp_info
cp_info表的tag項(xiàng)是一個(gè)無符號(hào)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(gè)抽象的概念，在Class文件中，它表現(xiàn)為一系列具體的、形如CONSTANT_Xxxx_info的constant_pool結(jié)構(gòu)，其具體的格式由cp_info表的tag項(xiàng)（即第一個(gè)字節(jié)）來確定。不同的cp_info表，其info[]項(xiàng)也是不一樣的，例如，CONSTANT_Class_info表的info[]項(xiàng)為“u2 name_index”，而CONSTANT_Utf8_info表的info[]項(xiàng)為“u2 length; u1 bytes[length];”，顯然，這兩個(gè)cp_info表是不一樣的，大小更是不一樣的，因而常量池表項(xiàng)的大小是可變的。由于常量池列表中的每個(gè)常量池表項(xiàng)的結(jié)構(gòu)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(xiàng)是一個(gè)可變長度的結(jié)構(gòu)流。
由cp_info表以及cp_type表我們可以知道，若cp_info表中tag(標(biāo)志)項(xiàng)的值為1時(shí)，當(dāng)前的cp_info就是一個(gè)CONSTANT_Utf8_info表結(jié)構(gòu)，若cp_info表中tag項(xiàng)的值為3，當(dāng)前的cp_info就是一個(gè)CONSTANT_Integer_info表結(jié)構(gòu)，其它情況類推。這些表的結(jié)構(gòu)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(gè)字節(jié)稱為access_flags，access_flags項(xiàng)描述了該Java類型的一些訪問標(biāo)志信息。例如，訪問標(biāo)志指明文件中定義的是類還是接口；訪問標(biāo)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(shí)際上，access_flags項(xiàng)的值是Java類型聲明中使用的訪問標(biāo)志符的掩碼(mask，這里掩碼指的是access_flags的值是所有訪問標(biāo)志值的總和，當(dāng)然，未被使用的標(biāo)志位在Class文件中都被設(shè)置為0。例如，若access_flags的值就是0x0001，就表示該Java類型的訪問標(biāo)志符是ACC_PUBLIC；若access_flags的值是0x0011，就表示該Java類型的訪問標(biāo)志符是ACC_PUBLIC和ACC_FINAL，因?yàn)橹挥羞@兩個(gè)標(biāo)志位的和才可能是0x0011；其它情況類推)。
一個(gè)Java類型的所有access_flags標(biāo)志符如下表所示：
access_flags
標(biāo)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(diào)用
ACC_INTERFACE 0x0200 表明是一個(gè)接口，而不是一個(gè)類
ACC_ABSTRACT 0x0400 聲明為abstract，不能被實(shí)例化
需要說明的是，這是針對一個(gè)Java類型的訪問標(biāo)志符列表，有的標(biāo)志符只有類可以使用，有的標(biāo)志符只有接口才可以使用，詳情請查閱《JVM Spec》(2nded)。
ClassFile表結(jié)構(gòu)由16個(gè)不同的項(xiàng)組成，其中的各項(xiàng)可以簡要地分析如下：
(1) magic
每個(gè)Class文件的前4個(gè)字節(jié)被稱為它的魔數(shù)（magic number）: 0xCAFEBABE。魔數(shù)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(gè)文件不是以0xCAFEBABE開頭，它就肯定不是Java Class文件，因?yàn)樗环弦?guī)范J）。當(dāng)Java還稱為“Oak”的時(shí)候，這個(gè)魔數(shù)就已經(jīng)定下來了，它預(yù)示了Java這個(gè)名字的出現(xiàn)。魔數(shù)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(gè)字節(jié)包含了次、主版本號(hào)。通常只有給定主版本號(hào)和一系列次版本號(hào)后，Java虛擬機(jī)才能夠讀取Class文件。如果Class文件的版本號(hào)超出了Java虛擬機(jī)所能夠處理的有效范圍，Java虛擬機(jī)將不會(huì)處理該Class文件。例如J2SE5.0版本的虛擬機(jī)就不能執(zhí)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(hào)后面的項(xiàng)是constant_pool_count即常量池計(jì)數(shù)項(xiàng)，該項(xiàng)的值必須大于零，它給出該Class文件中常量池列表項(xiàng)的元素個(gè)數(shù)，這個(gè)計(jì)數(shù)項(xiàng)包括了索引為0的constant_pool表項(xiàng)，但是該表項(xiàng)不出現(xiàn)在Class文件的constant_pool列表中，因?yàn)樗槐Ａ魹镴ava虛擬機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)使用了，因此常量池列表的元素個(gè)數(shù)constant_pool_count-1，各個(gè)常量池表項(xiàng)的索引值分別為1到constant_pool_count-1。
注：在這里，有幾個(gè)術(shù)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(xiàng)即指常量池列表中的某一個(gè)具體的表項(xiàng)(元素)。這些常量池表項(xiàng)的可能類型如下述的cp_type表所示：
cp_type
入口類型 標(biāo)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(xiàng)下面是constant_pool[ ]項(xiàng)，即常量池列表，其中存儲(chǔ)了該ClassFile結(jié)構(gòu)及其子結(jié)構(gòu)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(xiàng)是用一個(gè)cp_info結(jié)構(gòu)來描述的，常量池列表就是由constant_pool_count-1個(gè)連續(xù)的、可變長度的cp_info表結(jié)構(gòu)構(gòu)成的constant_pool[ ]數(shù)組。為什么是constant_pool_count-1個(gè)constant_pool的原因，在上面已經(jīng)解釋了。每一個(gè)常量池表項(xiàng)都是一個(gè)變長結(jié)構(gòu)，其通常格式如下所示：
cp_info
cp_info表的tag項(xiàng)是一個(gè)無符號(hào)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(gè)抽象的概念，在Class文件中，它表現(xiàn)為一系列具體的、形如CONSTANT_Xxxx_info的constant_pool結(jié)構(gòu)，其具體的格式由cp_info表的tag項(xiàng)（即第一個(gè)字節(jié)）來確定。不同的cp_info表，其info[]項(xiàng)也是不一樣的，例如，CONSTANT_Class_info表的info[]項(xiàng)為“u2 name_index”，而CONSTANT_Utf8_info表的info[]項(xiàng)為“u2 length; u1 bytes[length];”，顯然，這兩個(gè)cp_info表是不一樣的，大小更是不一樣的，因而常量池表項(xiàng)的大小是可變的。由于常量池列表中的每個(gè)常量池表項(xiàng)的結(jié)構(gòu)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(xiàng)是一個(gè)可變長度的結(jié)構(gòu)流。
由cp_info表以及cp_type表我們可以知道，若cp_info表中tag(標(biāo)志)項(xiàng)的值為1時(shí)，當(dāng)前的cp_info就是一個(gè)CONSTANT_Utf8_info表結(jié)構(gòu)，若cp_info表中tag項(xiàng)的值為3，當(dāng)前的cp_info就是一個(gè)CONSTANT_Integer_info表結(jié)構(gòu)，其它情況類推。這些表的結(jié)構(gòu)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(gè)字節(jié)稱為access_flags，access_flags項(xiàng)描述了該Java類型的一些訪問標(biāo)志信息。例如，訪問標(biāo)志指明文件中定義的是類還是接口；訪問標(biāo)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(shí)際上，access_flags項(xiàng)的值是Java類型聲明中使用的訪問標(biāo)志符的掩碼(mask，這里掩碼指的是access_flags的值是所有訪問標(biāo)志值的總和，當(dāng)然，未被使用的標(biāo)志位在Class文件中都被設(shè)置為0。例如，若access_flags的值就是0x0001，就表示該Java類型的訪問標(biāo)志符是ACC_PUBLIC；若access_flags的值是0x0011，就表示該Java類型的訪問標(biāo)志符是ACC_PUBLIC和ACC_FINAL，因?yàn)橹挥羞@兩個(gè)標(biāo)志位的和才可能是0x0011；其它情況類推)。
一個(gè)Java類型的所有access_flags標(biāo)志符如下表所示：
access_flags
標(biāo)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(diào)用
ACC_INTERFACE 0x0200 表明是一個(gè)接口，而不是一個(gè)類
ACC_ABSTRACT 0x0400 聲明為abstract，不能被實(shí)例化
需要說明的是，這是針對一個(gè)Java類型的訪問標(biāo)志符列表，有的標(biāo)志符只有類可以使用，有的標(biāo)志符只有接口才可以使用，詳情請查閱《JVM Spec》(2nded)。