JVM中的Class文件结构
本篇内容主要讲解"JVM中的Class文件结构"，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习"JVM中的Class文件结构"吧!
概述
本文主要介绍了Class文件的主要组成，包括魔数、版本号、常量池、访问标志等。
Class文件概览
根据JVM规范，一个Class文件可以非常严谨地描述为：
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];}下面会按顺序详细介绍里面的各个字段。
魔数
魔数（Magic Number）作为Class的标志，用来告诉JVM这是一个Class文件，魔数是一个4字节的无符号整数，固定为0xCAFEBABE。如果一个Class文件不以0xCAFEBABE开头，那么会抛出如下错误：
Linux下可以直接使用vim打开class文件进行查看，比如需要打开一个Test.class文件，可以输入如下命令：
vim -b Test.class:%!xxd
切换到十六进制后就可以看到魔数了：
版本
魔数后面紧跟着Class的小版本和大版本号，这表示当前Class文件是由哪个版本的编译期产生的。小版本和大版本后都是占用两个字节，比如下图：
0000是小版本号0037是大版本号，十进制为55，也就是对应JDK 11版本的编译期
常量池
在版本号后面，紧跟着就是常量池的数量以及若干个常量池表项：
其中每一个常量池表项都具有标签属性：
对应关系举例如下：
tag为3：类型为CONSTANT_Integertag为4：类型为CONSTANT_Float
等等，比如CONSTANT_Integer结构如下：
CONSTANT_Integer_info { u1 tag; u4 bytes;}一个tag加上一个四字节的无符号整数。其他类型大部分类似，篇幅限制，详细请看JVM规范。
访问标记
访问标记使用两个字节表示，用于表明该类的访问信息，比如public/abstract等，对应关系如下：
ACC_PUBLIC：0x0001，表示public类ACC_FINAL：0x0010，表示是否为final类ACC_SUPER：0x0020，表示使用增强的方法调用父类的方法ACC_INTERFACE：0x0200，表示是否为接口ACC_ABSTRACT：0x0400，表示是否为抽象类ACC_SYNTHETIC：0x1000，由编译期产生的类，没有源码对应ACC_ANNOTATION：0x2000，表示是否是注释ACC_ENUM：0x4000，表示是否为枚举
当前类、父类和接口
格式如下：
u2 this_class; u2 super_class;u2 interfaces_count;u2 interfaces[interfaces_count];
其中this_class与super_class都是两个字节的无符号整数，指向常量池中的一个CONSTANT_Class，表示当前的类型以及父类。另外，由于一个类可以实现多个接口，因此需要以数组形式保存多个接口的索引，如果没有实现任何接口，则interfaces_count为0。
字段
字段的格式如下：
u2 fields_count;field_info fields[fields_count];
fields_count是一个2字节的无符号整数，字段数量之后是具体的字段信息，每个字段都是一个field_info的结构，如下所示：
field_info { u2 access_flags; //访问标记，类似于类的访问标记，可以表示public/private/static等等 u2 name_index; //两字节整数，指向常量池中的CONSTANT_Utf8 u2 descriptor_index; //也是两字节整数，用于描述字段类型，也指向常量池中的CONSTANT_Utf8 u2 attributes_count; //属性数量 attribute_info attributes[attributes_count]; //属性，比如存储初始化值，一些注释信息等，需要使用attribute_info}attribute_info { u2 attribute_name_index; //属性名字，指向常量池的索引 u4 attribute_length; //属性长度 u1 info[attribute_length]; //字节数组表示的信息}方法
1 方法基本结构
方法的格式如下：
u2 methods_count;method_info methods[methods_count];
其中每一个method_info结构表示一个方法：
method_info { u2 access_flags; //访问标记，标记方法为public/private等等 u2 name_index; //方法名称，一个指向常量池的索引 u2 descriptor_index; //方法描述符，也是一个指向常量符的索引 u2 attributes_count; //属性数量 attribute_info attributes[attributes_count]; //属性，和字段类似，方法也可以携带属性，一个属性数量+一个属性描述数组}2 Code属性
方法的主要内容存放在属性中，在属性里面最重要的一个属性就是Code，Code存放着方法的字节码等信息，结构如下：
Code_attribute { u2 attribute_name_index; //属性名称，指向常量池的索引 u4 attribute_length; //属性长度，不包括前6字节（u2+u4） u2 max_stack; //操作数栈最大深度 u2 max_locals; //局部变量表的最大值 u4 code_length; //字节码长度 u1 code[code_length]; //字节码内容本身 u2 exception_table_length; //异常处理表长度 { u2 start_pc; //四个字段表示在start_pc到end_pc两个偏移量之间 u2 end_pc; //如果遇到了catch_type指向的异常 u2 handler_pc; //代码就跳转到handler_pc位置执行 u2 catch_type; } exception_table[exception_table_length]; //异常表 u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count];}Code属性本身也包含其他属性以进一步存储一些额外信息，主要包括：
LineNumberTableLocalVariableTableStackMapTable
2.1 LineNumberTable
LineNumberTable用于记录字节码偏移量和行号的对应关系，结构如下：
LineNumberTable_attribute { u2 attribute_name_index; //指向常量池的索引 u4 attribute_length; //属性长度 u2 line_number_table_length; //表项记录条数 { u2 start_pc; //字节码偏移量 u2 line_number; //字节码偏移量对应的行号 } line_number_table[line_number_table_length]; //表数组，每一个元素对应的是一个元组} 2.2 LocalVariableTable
这个属性也叫局部变量表，记录了一个方法中所有的局部变量，结构如下：
LocalVariableTable_attribute { u2 attribute_name_index; //当前属性名字，指向常量池的索引 u4 attribute_length; //属性长度 u2 local_variable_table_length; //局部变量表的表项条目 { u2 start_pc; //当前局部变量开始位置 u2 length; //当前局部变量长度（可用于计算结束位置） u2 name_index; //局部变量名称，指向常量池的索引 u2 descriptor_index; //局部变量的类型描述，指向常量池的索引 u2 index; //局部变量在当前栈帧的局部变量表中的槽位 } local_variable_table[local_variable_table_length]; }2.3 StackMapTable
StackMapTable中含有若干个栈映射帧（Stack Map Frame）的数据，不包含运行时所需要的信息，仅用作Class文件的类型校验，结构如下：
StackMapTable_attribute { u2 attribute_name_index; //常量池索引，恒为"StackMapTable" u4 attribute_length; //属性长度 u2 number_of_entries; //栈映射帧的数量 stack_map_frame entries[number_of_entries]; //具体的栈映射帧}union stack_map_frame { //每个栈映射帧被定义为一个枚举值，取值如下 same_frame; //具体每个取值的意义可以查看JVM规范 same_locals_1_stack_item_frame; //https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se11/html/jvms-4.html#jvms-4.7.4 same_locals_1_stack_item_frame_extended; chop_frame; same_frame_extended; append_frame; full_frame;}每个栈映射帧是为了说明在一个特定的字节码偏移位置上，系统的数据类型是什么，包括局部变量表的类型和操作数栈的类型。
附录：ASM简单使用
ASM是一个Java字节码操作库，很多著名的库都依赖于该库，比如AspectJ、CGLIB等等。但是ASM的性能远远超过CGLIB等高层字节码库，因为ASM更加接近底层，使用更为灵活且功能更为强大。
下面是一个简单的使用ASM输出Hello World的例子：
package com.company;import org.objectweb.asm.ClassWriter;import org.objectweb.asm.MethodVisitor;import org.objectweb.asm.Opcodes;public class Main extends ClassLoader implements Opcodes { public static void main(String[] args) throws Exception{ //创建ClassWriter，指定COMPUTE_MAXS和COMPUTE_FRAMES，分别表示计算最大局部变量表以及最深操作数栈 ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS | ClassWriter.COMPUTE_FRAMES); //通过ClassWriter设置类的基本信息，比如public访问标记，类名为Example cw.visit(V11,ACC_PUBLIC,"Example",null,"java/lang/Object",null); //生成Example的构造方法 MethodVisitor mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC ,"","()V",null,null); mw.visitVarInsn(ALOAD,0); mw.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL,"java/lang/Object","","()V",false); mw.visitInsn(RETURN); mw.visitMaxs(0,0); mw.visitEnd(); //生成public static void main(String []args)方法，并生成了main()方法的字节码 //要求运行时调用System.out.println()，并输出"Hello world"： mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC+ACC_STATIC,"main","([Ljava/lang/String;)V",null,null); mw.visitFieldInsn(GETSTATIC,"java/lang/System","out","Ljava/io/PrintStream;"); mw.visitLdcInsn("Hello world!"); mw.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL,"java/io/PrintStream","println","(Ljava/lang/String;)V",false); mw.visitInsn(RETURN); mw.visitMaxs(0,0); mw.visitEnd(); //获取二进制表示 byte[] code = cw.toByteArray(); Main m = new Main(); //将class文件载入系统，通过反射调用`main()`方法，输出结果 Class mainClass = m.defineClass("Example",code,0,code.length); mainClass.getMethods()[0].invoke(null, new Object[]{null}); }} 到此，相信大家对"JVM中的Class文件结构"有了更深的了解，不妨来实际操作一番吧！这里是网站，更多相关内容可以进入相关频道进行查询，关注我们，继续学习！
