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Java字節(jié)碼（.class文件）格式詳解（一）

小介：去年在讀《深入解析JVM》的時候?qū)懙模浀卯?dāng)時還想著用自己的代碼解析字節(jié)碼的，最后只完成了一部分。現(xiàn)在都不知道還有沒有保留著，貌似Apache有現(xiàn)成的BCEL工程可以做這件事。當(dāng)時也只是為了學(xué)習(xí)。這份資料主要參考《深入解析JVM》和《Java虛擬機規(guī)范》貌似是1.2版本的，整理出來的。里面包含了一些自己的理解和用實際代碼的測試。有興趣的童鞋可以研究研究。嘿嘿。要有錯誤也希望能為小弟指點出來，感激不盡。:)

1.總體格式

Class File format
type	descriptor	remark
u4	magic	0xCAFEBABE
u2	minor_version
u2	major_version
u2	constant_pool_count
cp_info	constant_pool[cosntant_pool_count – 1]	index 0 is invalid
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]

2. 格式詳解

2.1 magic

magic被稱為“魔數(shù)”，用來標(biāo)識.class文件的開頭。所有合法的.class字節(jié)碼都應(yīng)該是該數(shù)開頭，占4個字節(jié)。

2.2 major_version.minor_version

major_version.minor_version合在一起形成當(dāng)前.class文件的版本號，該版本號一般由編譯器產(chǎn)生，并且由sun定義。如59.0。它們一起占4個字節(jié)。

2.3 constant_pool

在Java字節(jié)碼中，有一個常量池，用來存放不同類型的常量。由于Java設(shè)計的目的之一就是字節(jié)碼需要經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)模蚨止?jié)碼需要比較緊湊，以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧髁亢蜁r間。常量池的存在則可以讓一些相同類型的值通過索引的方式從常量池中找到，而不是在不同地方有不同拷貝，縮減了字節(jié)碼的大小。

每個常量池中的項是通過cp_info的類型來表示的，它的格式如下：

cp_info format
type	descriptor	remark
u1	tag
u1	info[]

這里tag用來表示當(dāng)前常量池不同類型的項。info中存放常量池項中存放的數(shù)據(jù)。

tag中表示的數(shù)據(jù)類型：

CONSTANT_Class_info （7）、

CONSTANT_Integer_info （3）、

CONSTANT_Long_info （5）、

CONSTANT_Float_info （4）、

CONSTANT_Double_info （6）、

CONSTANT_String_info （8）、

CONSTANT_Fieldref_info （9）、

CONSTANT_Methodref_info （10）、

CONSTANT_InterfaceMethodref_info （11）、

CONSTANT_NameAndType_info （12）、

CONSTANT_Utf8_info （1）、

注：在Java字節(jié)碼中，所有boolean、byte、char、short類型都是用int類型存放，因而在常量池中沒有和它們對應(yīng)的項。

2.3.1 CONSTANT_Class_info

用于記錄類或接口名（used to represent a class or an interface）

CONSTANT_Class_info format
type	descriptor	remark
u1	tag	CONSTANT_Class (7)
u2	name_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_Utf8_info類型。表示類或接口名。

注：在Java字節(jié)碼中，類和接口名不同于源碼中的名字，詳見附件A.

2.3.2 CONSTANT_Integer_info

用于記錄int類型的常量值（represent 4-byte numeric (int) constants:）

CONSTANT_Integer_info
type	descriptor	remark
u1	tag	CONSTANT_Integer (3)
u4	bytes	整型常量值

2.3.3 CONSTANT_Long_info

用于記錄long類型的常量值（represent 8-byte numeric (long) constants:）

CONSTANT_Long_info
type	descriptor	remark
u1	tag	CONSTANT_Long (5)
u4	high_bytes	長整型的高四位值
u4	low_bytes	長整型的低四位值

2.3.4 CONSTANT_Float_info

用于記錄float類型的常量值（represent 4-byte numeric (float) constants:）

CONSTANT_Float_info
type	descriptor	remark
u1	tag	CONSTANT_Float(4)
u4	bytes	單精度浮點型常量值

幾個特殊值：0x7f800000 => Float.POSITIVE_INFINITY、0xff800000 => Float.NEGATIVE_INFINITY、

0x7f800001 to 0x7fffffff => Float.NaN、0xff800001 to 0xffffffff => Float.NaN

2.3.5 CONSTANT_Double_info

用于記錄double類型的常量值（represent 8-byte numeric (double) constants:）

CONSTANT_Double_info
type	descriptor	remark
u1	tag	CONSTANT_Double(6)
u4	high_bytes	雙精度浮點的高四位值
u4	low_bytes	雙精度浮點的低四位值

幾個特殊值：0x7ff0000000000000L => Double.POSITIVE_INFINITY、

0xfff0000000000000L => Double.NEGATIVE_INFINITY

0x7ff0000000000001L to 0x7fffffffffffffffL => Double.NaN 、

0xfff0000000000001L to 0xffffffffffffffffL => Double.NaN

2.3.6 CONSTANT_String_info

用于記錄常量字符串的值（represent constant objects of the type String:）

CONSTANT_String_info
type	descriptor	remark
u1	tag	CONSTANT_String(8)
u2	string_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_Utf8_info類型。表示String類型值。

2.3.7 CONSTANT_Fieldref_info

用于記錄字段信息（包括類或接口中定義的字段以及代碼中使用到的字段）。

CONSTANT_Fieldref_info
type	descriptor	remark
u1	tag	CONSTANT_Fieldref(9)
u2	class_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_Class_info類型。記錄定義該字段的類或接口。
u2	name_and_type_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_NameAndType_info類型。指定類或接口中的字段名（name）和字段描述符（descriptor）。

2.3.8 CONSTANT_Methodref_info

用于記錄方法信息（包括類中定義的方法以及代碼中使用到的方法）。

CONSTANT_Methodref_info
type	descriptor	remark
u1	tag	CONSTANT_Methodref(10)
u2	class_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_Class_info類型。記錄定義該方法的類。
u2	name_and_type_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_NameAndType_info類型。指定類中扽方法名（name）和方法描述符（descriptor）。

2.3.9 CONSTANT_InterfaceMethodref_info

用于記錄接口中的方法信息（包括接口中定義的方法以及代碼中使用到的方法）。

CONSTANT_InterfaceMethodref_info
type	descriptor	remark
u1	tag	CONSTANT_InterfaceMethodref(11)
u2	class_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_Class_info類型。記錄定義該方法的接口。
u2	name_and_type_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_NameAndType_info類型。指定接口中的方法名（name）和方法描述符（descriptor）。

2.3.10 CONSTANT_NameAndType_info

記錄方法或字段的名稱(name)和描述符(descriptor)（represent a field or method, without indicating which class or interface type it belongs to:）。

CONSTANT_NameAndType_info
type	descriptor	remark
u1	tag	CONSTANT_NameAndType (12)
u2	name_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_Utf8_info類型。指定字段或方法的名稱。
u2	descriptor_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_utf8_info類型。指定字段或方法的描述符（見附錄C）

2.3.11 CONSTANT_Utf8_info

記錄字符串的值（represent constant string values. String content is encoded in modified UTF-8.）

modifie

d UTF-8 refer to :

http://download.ora

cle.com/javase/1.4.2/docs/api/java/io/DataInputStream.html

CONSTANT_Utf8_info
type	descriptor	remark
u1	tag	CONSTANT_Utf8 (1)
u2	length	bytes所代表的字符串的長度
u1	bytes[length]	字符串的byte數(shù)據(jù)，可以通過DataInputStream中的readUtf()方法（實例方法或靜態(tài)方法讀取該二進制的字符串的值。）

2.4 access_flags

指定類或接口的訪問權(quán)限。

類或接口的訪問權(quán)限
Flag Name	Value	Remarks
ACC_PUBLIC	0x0001	pubilc，包外可訪問。
ACC_FINAL	0x0010	final，不能有子類。
ACC_SUPER	0x0020	用于兼容早期編譯器，新編譯器都設(shè)置該標(biāo)記，以在使用 invokespecial指令時對子類方法做特定處理。
ACC_INTERFACE	0x0200	接口，同時需要設(shè)置：ACC_ABSTRACT。不可同時設(shè)置：ACC_FINAL、ACC_SUPER、ACC_ENUM
ACC_ABSTRACT	0x0400	抽象類，無法實例化。不可和ACC_FINAL同時設(shè)置。
ACC_SYNTHETIC	0x1000	synthetic，由編譯器產(chǎn)生，不存在于源代碼中。
ACC_ANNOTATION	0x2000	注解類型（annotation），需同時設(shè)置：ACC_INTERFACE、ACC_ABSTRACT
ACC_ENUM	0x4000	枚舉類型

2.5 this_class

this_class是指向constant pool的索引值，該值必須是CONSTANT_Class_info類型，指定當(dāng)前字節(jié)碼定義的類或接口。

2.6 super_class

super_class是指向constant pool的索引值，該值必須是CONSTANT_Class_info類型，指定當(dāng)前字節(jié)碼定義的類或接口的直接父類。只有Object類才沒有直接父類，此時該索引值為0。并且父類不能是final類型。接口的父類都是Object類。

2.7 interfaces

interfaces數(shù)組記錄所有當(dāng)前類或接口直接實現(xiàn)的接口。interfaces數(shù)組中的每項值都是一個指向constant pool的索引值，這些值必須是CONSTANT_Class_info類型。數(shù)組中接口的順序和源代碼中接口定義的順序相同。

2.8 fields

fields數(shù)組記錄了類或接口中的所有字段，包括實例字段和靜態(tài)字段，但不包含父類或父接口中定義的字段。fields數(shù)組中每項都是field_info類型值，它描述了字段的詳細信息，如名稱、描述符、字段中的attribute等。

field_info
type	descriptor	remark
u2	access_flags	記錄字段的訪問權(quán)限。見2.8.1
u2	name_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_Utf8_info類型。指定字段的名稱。
u2	descriptor_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_Utf8_info類型，指定字段的描述符（見附錄C）。
u2	attributes_count	attributes包含的項目數(shù)。
attribute_info	attributes[attributes_count]	字段中包含的Attribute集合。見2.8.2-2.8.7

注：fields中的項目和CONSTANT_Fieldref_info中的項目部分信息是相同的，他們主要的區(qū)別是CONSTANT_Fieldref_info中的項目不僅包含了類或接口中定義的字段，還包括在字節(jié)碼中使用到的字段信息。不過這里很奇怪，為什么field_info結(jié)構(gòu)中不把name_index和descriptor_index合并成fieldref_index，這樣的class文件不是更加緊湊嗎？？不知道這是sun因為某些原因故意這樣設(shè)計還是這是他們的失誤？？

2.8.1 字段訪問權(quán)限

字段的訪問權(quán)限
Flag Name	Value	Remarks
ACC_PUBLIC	0x0001	pubilc，包外可訪問。
ACC_PRIVATE	0x0002	private，只可在類內(nèi)訪問。
ACC_PROTECTED	0x0004	protected，類內(nèi)和子類中可訪問。
ACC_STATIC	0x0008	static，靜態(tài)。
ACC_FINAL	0x0010	final，常量。
ACC_VOILATIE	0x0040	volatile，直接讀寫內(nèi)存，不可被緩存。不可和ACC_FINAL一起使用。
ACC_TRANSIENT	0x0080	transient，在序列化中被忽略的字段。
ACC_SYNTHETIC	0x1000	synthetic，由編譯器產(chǎn)生，不存在于源代碼中。
ACC_ENUM	0x4000	enum，枚舉類型字段

注：接口中的字段必須同時設(shè)置：ACC_PUBLIC、ACC_STATIC、ACC_FINAL

2.8.2 ConstantValue Attribute （JVM識別）

ConstantValue Attribute
type	descriptor	remark
u2	attribute_name_index	constant_pool中的索引，CONSTANT_Utf8_info類型。指定Attribute的名稱(“ConstantValue”)。
u4	attribute_length	該Attribute內(nèi)容的字節(jié)長度（固定值：2）
u2	constant_value_index	constant_pool中的索引， CONSTANT_Integer_info（int，boolean，char、short、byte）、 CONSTANT_Float_info（float）、 Constant_Double_info（double）、 CONSTANT_Long_info（long） CONSTANT_String_info（String）類型

每個常量字段（final，靜態(tài)常量或?qū)嵗Ａ浚┒及星覂H有一個ConstantValue Attribute。ConstantValue Attribute結(jié)構(gòu)用于存儲一個字段的常量值。

對一個靜態(tài)常量字段，該常量值會在類或接口被初始化之前，由JVM負責(zé)賦給他們，即它在任何靜態(tài)字段之前被賦值。

對一個非靜態(tài)常量字段，該值會被虛擬機忽略，它的賦值由生成的實例初始化函數(shù)（<init>）實現(xiàn)。如類：

class A {

public static final int fa = 10;

public final int fa2 = 30;

private static int sa = 20;

static {

sa = 30;

}

生成的字節(jié)碼如下：

// Compiled from Test.java (version 1.6 : 50.0, super bit)

class org.levin.insidejvm.miscs.staticinit.A {

public static final int fa = 10;

public final int fa2 = 30;

private static int sa;

static {};

0 bipush 20

2 putstatic org.levin.insidejvm.miscs.staticinit.A.sa : int [16]

5 bipush 30

7 putstatic org.levin.insidejvm.miscs.staticinit.A.sa : int [16]

10 return

public A();

0 aload_0 [this]

1 invokespecial java.lang.Object() [21]

4 aload_0 [this]

5 bipush 30

7 putfield org.levin.insidejvm.miscs.staticinit.A.fa2 : int [23]

10 return

2.8.3 Synthetic Attribute

參考2.11.1

2.8.4 Signature Attribute

參考2.11.2

2.8.5 Deprecated Attribute

參考2.11.3

2.8.6 RuntimeVisibleAnnotations Attribute

參考2.11.4

2.8.7 RuntimeInvisibleAnnotations Attribute

參考2.11.5

于2010-12-19

posted on 2011-09-05 23:24 DLevin 閱讀(20012) 評論(3) 編輯收藏所屬分類: 深入JVM

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