详解Java的类文件结构（.class文件的结构）

 

• this_class 指向常量池中索引为 2 的 CONSTANT_Class_info。
• super_class 指向常量池中索引为 3 的 CONSTANT_Class_info。
• 由于没有接口，所以 interfaces 的信息为空。

对应 class 文件中的位置如下图所示。

 

06、字段表

一个类中定义的字段会被存储在字段表（fields）中，包括静态的和非静态的。

来看这样一段代码。

public class FieldsTest {
    private String name;
}

字段只有一个，修饰符为 private，类型为 String，字段名为 name。可以用下面的伪代码来表示 field 的结构。

field_info {
  u2 access_flag;
  u2 name_index;
  u2 description_index;
}

• access_flag 为字段的访问标记，比如说是不是 public | private | protected，是不是 static，是不是 final 等。
• name_index 为字段名的索引，指向常量池中的 CONSTANT_Utf8_info， 比如说上例中的值就为 name。
• description_index 为字段的描述类型索引，也指向常量池中的 CONSTANT_Utf8_info，针对不同的数据类型，会有不同规则的描述信息。

1）对于基本数据类型来说，使用一个字符来表示，比如说 I 对应的是 int，B 对应的是 byte。

2）对于引用数据类型来说，使用 L***; 的方式来表示，L 开头，; 结束，比如字符串类型为 Ljava/lang/String;。

3）对于数组来说，会用一个前置的 [ 来表示，比如说字符串数组为 [Ljava/lang/String;。

对应到 class 文件中的位置如下图所示。

 

看到这里相信你就能明白经常在 javap 命令中看到的一些奇怪的字符的意思了。

07、方法表

方法表和字段表类似，区别是用来存储方法的信息，包括方法名，方法的参数，方法的签名。

就拿 main 方法来说吧。

public class MethodsTest {
    public static void main(String[] args) {
        
    }
}

先用 jclasslib 看一下大概的信息。

 

• 访问标记是 public static 的。
• 方法名为 main。
• 方法的参数为字符串数组；返回类型为 Void。

对应到 class 文件中的位置如下图所示。

 

08、属性表

属性表是 class 文件中的最后一部分，通常出现在字段和方法中。

来看这样一段代码。

public class AttributeTest {
    public static final int DEFAULT_SIZE = 128;
}

只有一个常量 DEFAULT_SIZE，它属于字段中的一种，就是加了 final 的静态变量。先通过 jclasslib 看一下它当中一个很重要的属性——ConstantValue，用来表示静态变量的初始值。

 

• Attribute name index 指向常量池中值为“ConstantValue”的常量。
• Attribute length 的值为固定的 2，因为索引只占两个字节的大小。
• Constant value index 指向常量池中具体的常量，如果常量类型为 int，指向的就是 CONSTANT_Integer_info。

我画了一副图，可以完整的表示字段的结构，包含属性表在内。

 

对应到 class 文件中的位置如下图所示。

来看下面这段代码。

public class MethodCode {
    public static void main(String[] args) {
        foo();
    }

    private static void foo() {
    }
}

main 方法中调用了 foo 方法。通过 jclasslib 看一下它当中一个很重要的属性——Code， 方法的关键信息都存储在里面。

 

• Attribute name index 指向常量池中值为“Code”的常量。
• Attribute length 为属性值的长度大小。
• bytecode 存储真正的字节码指令。
• exception table 表示方法内部的异常信息。
• maximum stack size 表示操作数栈的最大深度，方法执行的任意期间操作数栈深度都不会超过这个值。
• maximum local variable 表示临时变量表的大小，注意，并不等于方法中所有临时变量的数量之和，当一个作用域结束，内部的临时变量占用的位置就会被替换掉。
• code length 表示字节码指令的长度。

对应 class 文件中的位置如下图所示。

 

09、QA

评论区有读者问到：“怎么通过索引值，定位到在class 文件中的位置，这个是咋算的？”

在Java类文件中，常量池是一个索引表，它从索引值1开始计数，每个条目都有一个唯一的索引。

• 常量池计数器：在常量池之前，类文件有一个16位的常量池计数器，表示常量池中有多少项。它的值比实际常量数大1（因为索引从1开始）。
• 常量池条目：每个常量池条目的开始是一个标签（1个字节），表明了常量的类型（如Class、Fieldref、Methodref等）。根据这个类型，后面跟着的数据结构也不同。

定位过程大致如下：

• 读取常量池计数器：首先，从类文件的开头读取常量池计数器的值，确定常量池中有多少条目。
• 遍历常量池：从常量池的第一项开始遍历。由于不同类型的常量长度不同，需要根据每个常量的类型来确定它的长度。
• 根据索引定位：继续遍历，直到到达所需的索引值。每次遍历时，根据条目类型读取相应长度的数据，直到达到目标索引。

可以抽象成一个数组和一个 for 循环，就能明白了。

int[] constantPool = new int[constantPoolCount];
for (int i = 1; i < constantPoolCount; i++) {
    int tag = constantPool[i];
    switch (tag) {
        case CONSTANT_Integer_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_Float_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_Long_info:
            i += 8;
            break;
        case CONSTANT_Double_info:
            i += 8;
            break;
        case CONSTANT_Utf8_info:
            int length = constantPool[i + 1];
            i += length + 1;
            break;
        case CONSTANT_String_info:
            i += 2;
            break;
        case CONSTANT_Class_info:
            i += 2;
            break;
        case CONSTANT_Fieldref_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_Methodref_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_InterfaceMethodref_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_NameAndType_info:
            i += 4;
            break;
        case CONSTANT_MethodHandle_info:
            i += 3;
            break;
        case CONSTANT_MethodType_info:
            i += 2;
            break;
        case CONSTANT_InvokeDynamic_info:
            i += 4;
            break;
        default:
            throw new RuntimeException("Unknown tag: " + tag);
    }
}

10、小结

到此为止，class 文件的内部算是剖析得差不多了，希望能对大家有所帮助。第一次拿刀，手有点颤，如果哪里有不足的地方，欢迎大家在评论区毫不留情地指出来！

• class 文件是一串连续的二进制，由 0 和 1 组成，但我们仍然可以借助一些工具来看清楚它的真面目。
• class 文件的内容通常可以分为下面这几部分，魔数、版本号、常量池、访问标记、类索引、父类索引、接口索引、字段表、方法表、属性表。
• 常量池包含了类、接口、字段和方法的符号引用，以及字符串字面量和数值常量。
• 访问标记用于识别类或接口的访问信息，比如说是不是 public | private | protected，是不是 static，是不是 final 等。
• 类索引、父类索引和接口索引用来确定类的继承关系。
• 字段表用来存储字段的信息，包括字段名，字段的参数，字段的签名。
• 方法表用来存储方法的信息，包括方法名，方法的参数，方法的签名。
• 属性表用来存储属性的信息，包括字段的初始值，方法的字节码指令等。

相信大家看完这篇内容应该能对 class 文件有一个比较清晰的认识了。