歡迎來到“Under The Hood”第二期。上期我們討論了抽象計算機JVM。如果你對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類文件的基本結構。
為旅行而生
Java類文件（.class文件）是一個為已編譯Java程序仔細定義的格式。Java源代碼被編譯成能夠被任何JVM加載和執行的類文件。在被JVM加載之前，類文件可能是由網絡傳輸而來。
類文件是獨立于底層平臺的，所以適用于更多的地方。它們由簡潔的JVM字節碼組成，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絡，到達世界各地的JVM。
類文件里有什么？
Java類文件包含JVM需要知道的關于一個Java類或接口的一切。按照它們的出現次序，主要的部分有：魔法數（magic），版本號（version），常量池（constant pool），訪問標示符區（access flags），當前類區（this class），超類區（super class），父接口區（interfaces），字段區（fields），方法列表區（methods），屬性區（attributes）。
保存在類文件中的信息經常在長度上有變化，所以信息的實際長度在被加載之前不能被預測。例如，在方法區里的方法數目，類與類之間是不相同的，這取決于源代碼中定義的方法個數。類文件中，這些信息的實際大小或長度，被安排在信息內容之前。這樣，當類文件被JVM加載時，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際的信息內容。
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（byte）邊界對齊。這使得類文件很小，適合網絡傳輸。
為了讓JVM在加載類文件時，知道需要什么信息以及從哪里可以取得所需信息，類文件的各個組成部分的次序是嚴格定義的。例如，每個JVM都知道類文件的前8個字節由魔法數和版本號組成，常量池從第9個字節開始，訪問標示符區緊跟在常量池后面。但是，因為常量池的長度是可變的，在讀取完常量池之前，JVM是不知道訪問標示符區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個字節就是訪問標示符區。
魔法數（Magic）和版本號（Version）
每個類文件的開始4個字節都是0xCAFEBABE。這個神奇的數字讓Java類文件更容易識別，因為類文件以外的文件幾乎不可能也以這四個相同的字節開頭。之所以稱之為魔法數，是因為它可以被文件格式設計者們從帽子里拉出來(??)。對它僅有的要求是，不能被現實已有的文件格式占用。根據最初Java團隊主要成員之一的Patrick Naughton所說，遠在“Java”被當作Java語言的名稱之前，這個神奇的數字就已經被選好了。我們當時在尋找一個有趣，獨特并且很容易記住的數字。0xCAFEBABE作為漂亮的Peet’s Coffee的咖啡師的代稱，能預示未來Java語言的名字，這完全是一個巧合。
類文件接下來的4個字節包含了大版本號（major version）和小版本號（minor version）。這些數字標識了特定類文件使用的類文件格式，讓JVM可以驗證類文件是否可以被載入。每個JVM都有一個它能載入的最大版本號，拒絕加載大于最大版本號的類文件。
常量池（Constant Pool）
類文件在常量池中保存與類或接口關聯的常量。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）和一組參數類型（argument types）組成。
常量池被組織成一個元素長度可變的數組。每個常量占據數組中的一個元素。在整個類文件中，常量通過指示它們在數組中位置的整型索引來引用。第一個常量的索引值是1，第二個是2，以此類推。常量池數組的元素個數寫在常量池的前面，所以在加載類文件時，JVM知道它需要加載多少常量。
常量池中每個元素以指明自己類型的單字節標簽（tag）開始。一旦JVM看到這個標簽，就能知道接下來會遇到什么類型的常量。例如，如果看到一個表示字符串的標簽，JVM會認為接下來2個字節就是字符串的長度，然后就是“長度”個字節組成的字符串。
在本文剩下的部分，我有時會用constant_pool[n]表示常量池數組的第n個元素。從常量池組織的像個數組來說，這是有道理的；但是請記住，這些元素具有不同的大小和類型，并且第一個元素的索引是1。
訪問標識符區（Access Flags）
常量池之后的2個字節就是訪問標示符，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。
當前類區（This class）
接下來2個字節是當前類區，它是常量池數組的索引。被當前類引用的常量constant_pool[this_class]，包含兩部分：單字節標簽（tag）和雙字節名稱索引（name index）。標簽等于CONSTANT_Class，一個表示本元素中包含類或接口信息的值。constant_pool[name_index]是一個包含類或接口名的字符串常量。
當前類部分稍稍揭示了常量池是怎么被使用的。當前類區本身只是一個常量池的索引。當JVM查找constant_pool[this_class]時，它找到一個用標簽表明自己是一個CONSTANT_Class得元素。JVM知道CONSTANT_Class元素在標簽（tag）之后，總是有一個叫名稱索引（name index）的常量池雙字節索引。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（Super class）
當前類區之后是超類區，也是2個字節的常量池索引。constant_pool[super_class]是CONSTANT_Class元素，它指向當前類所直接繼承的超類名。
接口區（Interfaces）
接口區開頭的2個字節，表示文件所定義的類（或接口）實現的接口數目。緊接著是一個數組，它包含了類所實現的每一個接口在常量池中的索引。
每個接口都是常量池中的CONSTANT_Class元素，它指向接口名。
字段區（Fields）
字段部分，以表示該類或接口包含的字段數的2個字節開始。字段是一個實例變量，或者是類或接口的類變量。接下來是一個以可變長結構為元素的數組，一個結構一個字段。每個結構都包含一個字段的相關信息，如字段名，字段類型，如果是final變量，還包括字段值。部分信息在結構當中，另一部分在常量池中由結構所指向的位置。
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（Methods）
方法部分，以表示類或接口中方法數目的2字節開始。這個數目，只包含當前類顯式定義的方法，不包括繼承自超類的方法。數目之后是方法本身。
表示每個方法的結構包含方法相關的幾條信息，包括方法描述符（method descriptor，包括返回值類型和參數列表），方法本地變量需要的棧字（stack words）數，方法操作數棧（operand stack）需要的最大棧字數，方法捕獲的異常表，字節碼序列和行號表。
屬性區（Attributes）
排在最后的是屬性區，它提供定義在類文件中的特定類或接口的一般信息。屬性區以2字節的屬性數目開始，然后是屬性本身。比如一個表示源碼屬性的屬性：它表示當前類被編譯而來的源文件名。JVM會悄悄地忽略任何它們識別不了的屬性。
本文譯自：The Java class file lifestyle