Class文件在Java體系結(jié)構(gòu)中的位置和作用

對(duì)于理解JVM和深入理解Java語(yǔ)言， 學(xué)習(xí)并了解class文件的格式都是必須要掌握的功課。 原因很簡(jiǎn)單， JVM不會(huì)理解我們寫的Java源文件， 我們必須把Java源文件編譯成class文件， 才能被JVM識(shí)別， 對(duì)于JVM而言， class文件相當(dāng)于一個(gè)接口， 理解了這個(gè)接口， 能幫助我們更好的理解JVM的行為；另一方面， class文件以另一種方式重新描述了我們?cè)谠次募幸磉_(dá)的意思， 理解class文件如何重新描述我們編寫的源文件， 對(duì)于深入理解Java語(yǔ)言和語(yǔ)法都是很有幫助的。 另外， 不管是什么語(yǔ)言， 只要能編譯成class文件， 都能被JVM識(shí)別并執(zhí)行， 所以class文件不僅是跨平臺(tái)的基礎(chǔ)， 也是JVM跨語(yǔ)言的基礎(chǔ)， 理解了class文件格式， 對(duì)于我們學(xué)習(xí)基于JVM的其他語(yǔ)言會(huì)有很大幫助。 

總之， 在整個(gè)Java技術(shù)體系結(jié)構(gòu)中， class文件處于中間的位置， 對(duì)于理解整個(gè)體系有著承上啟下的作用。 如圖所示：

Class文件格式概述

class文件是一種8位字節(jié)的二進(jìn)制流文件， 各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)按順序緊密的從前向后排列， 相鄰的項(xiàng)之間沒(méi)有間隙， 這樣可以使得class文件非常緊湊， 體積輕巧， 可以被JVM快速的加載至內(nèi)存， 并且占據(jù)較少的內(nèi)存空間。 我們的Java源文件， 在被編譯之后， 每個(gè)類（或者接口）都單獨(dú)占據(jù)一個(gè)class文件， 并且類中的所有信息都會(huì)在class文件中有相應(yīng)的描述， 由于class文件很靈活， 它甚至比Java源文件有著更強(qiáng)的描述能力。

class文件中的信息是一項(xiàng)一項(xiàng)排列的， 每項(xiàng)數(shù)據(jù)都有它的固定長(zhǎng)度， 有的占一個(gè)字節(jié)， 有的占兩個(gè)字節(jié)， 還有的占四個(gè)字節(jié)或8個(gè)字節(jié)， 數(shù)據(jù)項(xiàng)的不同長(zhǎng)度分別用u1, u2, u4, u8表示， 分別表示一種數(shù)據(jù)項(xiàng)在class文件中占據(jù)一個(gè)字節(jié)， 兩個(gè)字節(jié)， 4個(gè)字節(jié)和8個(gè)字節(jié)。 可以把u1, u2, u3, u4看做class文件數(shù)據(jù)項(xiàng)的“類型” 。

class文件中存在以下數(shù)據(jù)項(xiàng)(該圖表參考自《深入Java虛擬機(jī)》)：

下面對(duì)class文件中的每一項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)的解釋。

class文件中的魔數(shù)和版本號(hào)

（1） magic

在class文件開頭的四個(gè)字節(jié)， 存放著class文件的魔數(shù)， 這個(gè)魔數(shù)是class文件的標(biāo)志，他是一個(gè)固定的值： 0XCAFEBABE 。 也就是說(shuō)他是判斷一個(gè)文件是不是class格式的文件的標(biāo)準(zhǔn)， 如果開頭四個(gè)字節(jié)不是0XCAFEBABE， 那么就說(shuō)明它不是class文件， 不能被JVM識(shí)別。

（2）minor_version 和 major_version

緊接著魔數(shù)的四個(gè)字節(jié)是class文件的此版本號(hào)和主版本號(hào)。 隨著Java的發(fā)展， class文件的格式也會(huì)做相應(yīng)的變動(dòng)。 版本號(hào)標(biāo)志著class文件在什么時(shí)候， 加入或改變了哪些特性。 舉例來(lái)說(shuō)， 不同版本的javac編譯器編譯的class文件， 版本號(hào)可能不同， 而不同版本的JVM能識(shí)別的class文件的版本號(hào)也可能不同， 一般情況下， 高版本的JVM能識(shí)別低版本的javac編譯器編譯的class文件， 而低版本的JVM不能識(shí)別高版本的javac編譯器編譯的class文件。 如果使用低版本的JVM執(zhí)行高版本的class文件， JVM會(huì)拋出java.lang.UnsupportedClassVersionError 。具體的版本號(hào)變遷這里不再討論， 需要的讀者自行查閱資料。 

class文件中的常量池概述

在class文件中， 位于版本號(hào)后面的就是常量池相關(guān)的數(shù)據(jù)項(xiàng)。 常量池是class文件中的一項(xiàng)非常重要的數(shù)據(jù)。 常量池中存放了文字字符串， 常量值， 當(dāng)前類的類名， 字段名， 方法名， 各個(gè)字段和方法的描述符， 對(duì)當(dāng)前類的字段和方法的引用信息， 當(dāng)前類中對(duì)其他類的引用信息等等。 常量池中幾乎包含類中的所有信息的描述， class文件中的很多其他部分都是對(duì)常量池中的數(shù)據(jù)項(xiàng)的引用，比如后面要講到的this_class, super_class, field_info, attribute_info等， 另外字節(jié)碼指令中也存在對(duì)常量池的引用， 這個(gè)對(duì)常量池的引用當(dāng)做字節(jié)碼指令的一個(gè)操作數(shù)。  此外， 常量池中各個(gè)項(xiàng)也會(huì)相互引用。

class文件中的項(xiàng)constant_pool_count的值為1, 說(shuō)明每個(gè)類都只有一個(gè)常量池。 常量池中的數(shù)據(jù)也是一項(xiàng)一項(xiàng)的， 沒(méi)有間隙的依次排放。常量池中各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)通過(guò)索引來(lái)訪問(wèn)， 有點(diǎn)類似與數(shù)組， 只不過(guò)常量池中的第一項(xiàng)的索引為1, 而不為0, 如果class文件中的其他地方引用了索引為0的常量池項(xiàng)， 就說(shuō)明它不引用任何常量池項(xiàng)。class文件中的每一種數(shù)據(jù)項(xiàng)都有自己的類型， 相同的道理，常量池中的每一種數(shù)據(jù)項(xiàng)也有自己的類型。 常量池中的數(shù)據(jù)項(xiàng)的類型如下表：

每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)叫做一個(gè)XXX_info項(xiàng)， 比如， 一個(gè)常量池中一個(gè)CONSTANT_Utf8類型的項(xiàng)， 就是一個(gè)CONSTANT_Utf8_info 。除此之外， 每個(gè)info項(xiàng)中都有一個(gè)標(biāo)志值（tag）， 這個(gè)標(biāo)志值表明了這個(gè)常量池中的info項(xiàng)的類型是什么， 從上面的表格中可以看出， 一個(gè)CONSTANT_Utf8_info中的tag值為1， 而一個(gè)CONSTANT_Fieldref_info中的tag值為9 。

Java程序是動(dòng)態(tài)鏈接的， 在動(dòng)態(tài)鏈接的實(shí)現(xiàn)中， 常量池扮演者舉足輕重的角色。 除了存放一些字面量之外， 常量池中還存放著以下幾種符號(hào)引用：

（1） 類和接口的全限定名

（2） 字段的名稱和描述符

（3） 方法的名稱和描述符

在詳細(xì)講解常量池中的各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)之前， 我們有必要先了解一下class文件中的特殊字符串， 因?yàn)樵诔Ａ砍刂校?特殊字符串大量的出現(xiàn)，這些特殊字符串就是上面說(shuō)的全限定名和描述符。 要理解常量池中的各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)， 必須先了解這些特殊字符串。