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在 JVM 眼中 .class 文件是什么样的？

2020年07月23日  | 移动技术网移动技术  | 我要评论
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/   今日科技快讯   /


据媒体报道，尽管华为在大力宣传其Harmony操作系统的强大，但称希望能保持安卓生态系统，因此并没有推出鸿蒙手机的计划，除非美国实施一项禁令，阻止华为访问Android的关键服务：包括地图和Play store等谷歌服务，那么鸿蒙将会是“万无一失”的备选方案。


/   作者简介   /


又到了愉快的星期五啦，祝大家周末开心！


本篇文章来自MxsQ的投稿，分享了如何解读class文件，希望对大家有所帮助！同时也感谢作者贡献的精彩文章。


MxsQ的博客地址：

https://www.jianshu.com/u/9cf1f31e1d09


/   前言   /


Java程序具有 " Write Once , Run Anywhere ." 的跨平台特性。实现这样的目的，Java的方案是：半编译 + 半解释，即 .Class + JVM 。


640?wx_fmt=other


1、源程序内容会被编译为.Class文件，.Class文件具有严格规定如何从中提取信息，可以理解为 “中间码”，约定使用者如何理解文件内容


2、理解了程序内容，各个平台根据自身特色不同，实现各自的JVM用来解释（翻译）.Class文件，变成真正的本地可执行指令。


如此实现了Java跨平台的特性。因此，跨平台的基础为.Class，实现为JVM。


本文的目的为：读懂.Class，悉知编写的程序代码在JVM眼中是什么样子。而在理解了.Class之后，对于理解JVM、理解字节码插桩等有进一步帮助。


/   基础知识   /


字节码


字节码是一种包含执行程序，由数据对组成的二进制文件，是一种中间码。一般来说，一字节占用8位，即包含八位的二进制。


文章所指的.Class文件为字节码文件，每字节用16进制表示，数值范围 00 ~ FF (0 ~ 255).


无符号数基本类型


无符号数可以用来描述数字、索引引用、数值量或按照 UTF-8 编码构成字符串。u1、u2、u4、u8分别代表 1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数。


字面量


字面量是一种固定值的表示法，本身没有含义，需要场景来为它赋予含义，如何理解？比如 007 没有含义，但是用来表示詹姆斯·邦德，你就知道007代表一个很厉害的特工。在程序中，int x = 10、String s = "10" 让字面量 10 具有了不同的意义。


全限定名


将一个类的全限定名是将类全名的.全部替换为/，如java.lang.String替换为java/lang/String


描述符


描述符用来描述字段的数据类型、方法的参数类表和返回值，每种符号对应不同数据类型


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/   Class文件   /


Java文件包含了一个类的所有信息，以下是一个Java类：


import java.io.Serializable;

public class TestClass implements Serializable{

    private int m = 123;
    private static int x = 10;
    private static final int y = 20;

    public int increace(){
        return m+1;
    }

    public void m() throws Exception{
        // 具体逻辑不写
    }

    public static String hello(){
        return "hello word";
    }
}

此Java文件中，所包含的信息有：

  1. 类明为TestClass并可被外部访问，实现了Serializable接口
  2. 拥有类变量 x和y，拥有成员变量 m
  3. 拥有可被外部访问的类函数 hello()，拥有可被外部访问的成员函数increace() 和 m()

note: 如无特殊说明，文章所说.Class文件均由此Java文件编译得来

这些信息在被编译后将在.Class文件中进行表达。通过命令

Javac fileName.java

可将Java文件编译成对应的.Class文件。.Class文件为字节码文件，可借助对应编辑器阅读。

本文使用的编辑器为 “010” ，Windows 和 Mac 都有， 自行下载。

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Class 字节码实例文件

.Class文件使用字节码表达信息，各数据间紧凑，不包含任何分隔符，因此整个.Class文件中存储的内容几乎是全部程序运行时的必要数据。如何解析字节码数据，就需要制定规则来解读，严格遵守。

.Class 文件风格采用类似于C语言结构的伪结构来存储数据。可以将.Class文件看成多张表的集合，通过表索引，能找到对应的数据。可以理解为，数据存在的相对位置，决定了它被赋予的涵义。

.Class文件格式如下表

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有些数据信息是定长的，有些视具体情况而定，但都会有相应的约束告知具体长度。各信息对应已在.Class实例文件图标出，剩下的是逐层去解析类信息。

/   常量池   /

常量池中主要存放两大类：字面量和符号引用。符号引用包括：

  • 类和接口的全限定名
  • 字段的名称和描述符
  • 方法的名称和描述符

与C和C++不同，Java代码编译后没有“连接”的步骤，在JVM加载Class文件的时候进行动态连接。.Class文件不会保存各方法、字段的最终内存布局信息，因为不能经过运行期转换无法得到真正的内存入库地址，无法被JVM使用。在JVM运行时，从常量池中拿到对应的符号引用，解析、翻译到具体的内存地址中再进行使用，这些信息也就存于JVM的方法区中。

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常量池所占用长度不定，需要 0x0008 ~ 0x0009 提供常量数量统计，再根据常量池里的具体常量类型推算出具体总占用的长度。

但这比较繁琐，每一种常量类型对应一份表，需要根据表的不同查阅具体的表结构来获取信息。常量类型的第一位 u1 表明来对应常量的表结构，对应信息如下

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除必要外，本文不打算列出各个对应的表结构，具体结构可参考

Class类文件结构之常量表
https://blog.csdn.net/u014296316/article/details/83020087

这里抛砖引玉。

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常量池第一个常量

第一个常量类型由 0x000A 处标出，值为0A，十进制为10，查表，类型为CONSTANT_Methodref_info（不得不说现在的编辑器很强大，没有对应功能的话就只能慢慢查了）。

表中数据类型为u1、u2、u2 共占 5 个字节（具体表信息和内容含义后文再续）。如果是CONSTANT_Utf8_info类型，还会有 length 属性表明字面量占用字节长度，需要加上此长度。则第二个常量类型由 0x000F 处标出，值为0F，十进制为09，表类型为CONSTANT_Fieldref_info。以此类推...

这样一步一步查找对应常量也是比较麻烦的，好在Java内置类工具——javap可对.Class文件字节码进行分析，通过命令

javap -verbose fileName

能得到下图信息 ：（仅展示了常量池部分）

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javap分析常量池

常量池数量值在 0x0008 ~ 0x0009 为 23，转换十进制为35，表示常量池索引范围为 1～35。观察上两张图，前者索引从0开始，后者索引从1开始。

若摸不着门路，常量池的分析着实让人头大，个人看来，常量池里的信息是在 “搭积木” 。

本例子中，常量池涉及到的常量类型为：

  • CONSTANT_Methodref_info
  • CONSTANT_Fieldref_info
  • CONSTANT_String_info
  • CONSTANT_Class_info
  • CONSTANT_Interger
  • CONSTANT_NameAndType
  • CONSTANT_Utf8

暂时抛开具体表结构，以上表类型结构关系如示：

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常量池常量类型结构

上面仅画出了当前例子涉及到的常量类型的组成关系，任意类型的常量，不断拆分，最后都会指向基本类型的常量CONSTANT_Utf8，或自身就为基本类型如CONSTANT_Interger。

可以理解为，基本常量类型CONSTANT_Utf8本身没有过多意义，其它的类型为场景，为CONSTANT_Utf8赋予了意义。

CONSTANT_Utf8_info可以算是最基本的类型，结构为

// 伪代码
{
    // 常量类型
    u1 tag;
    // 字节长度
    u2 length;
    // UTF-8缩略编码
    bytes[length];
}

在遇到CONSTANT_Utf8_info类型的常量时，将bytes逐个按照UTF-8缩略编码即可得到对应的字面量

/   类级信息   /

定义的类为

public class TestClass implements Serializable

其中包含的信息为：

  • 类本身：TestClass
  • 访问标志：public
  • 实现接口Serializable
  • 父类为：Object

从.Class文件格式表中，在常量池后紧接着的数据，就是类级数据

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从 0x0143 ～ 0x014C :

  • access_flags(u2): 十六进制值为 0x0021
  • this_class(u2): 十进制值为5，指向常量池第5个常量， 类型为CONSTANT_Class_info，类为 TestClass
  • super_class(u2): 十进制值为5，指向第6个常量，类型为CONSTANT_Class_info，类为 java/lang/Object
  • interface_count(u2): 实现接口数量 1 个
  • interface[0] ：指向常量池第7个常量，类型为CONSTANT_Class_info，接口名诶 java/io/Serializable

CONSTANT_Class_info 常量表结构如下

// 伪代码
{
    // 常量类型
    u1 tag ;
    // 指向常量池偏移量为name_index，类型为CONSTANT_Utf8_info类型的索引， 
    //代表类或接口的权限定名
    u2 name_index; 
}

与之前所说常量池里在搭积木的说法一致，后面涉及到的常量池里的类型依然如此。

访问标志使用标志位来表示，各个标志含义如表

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当前情况为 0x0001 | 0x0020 = 0x0021

/   attribute（属性表）   /

属性表比较特殊，.Class文件、字段表、方法表等都可以携带自己的属性表集合，用来描述专有的场景，也因此将此表做前置说明。

属性表的特点为：

  1. 规则较宽松，不要求严格的顺序、长度、内容
  2. 只要不与已有属性表重复，任何编译器都可以向属性表中写入自定义的属性信息，JVM会忽略掉不认识的属性。

属性表结构为

// 伪代码
{
    // 指向常量池类型为CONSTANT_Utf8_info的常量，代表属性名
    u2 attribute_name_index ;
    // 属性表info占用长度
    u4 attribute_length; 
    // 这需要具体实现的结构，长度为attribute_length
    Info info;
}

因此一个属性表的长度为 u2 + u4 + attribute_length。

Java与定义来很多属性表，文章检出涉及到的做后续说明，其它在实际需要时自行查阅

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字段表与方法表携带的属性表暂未涉及，当前节点涉及到类型为SourceFile的.Class携带的属性表。

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class携带属性表示例

范围为 0x025A ~ 0x0262 共占 u2 + u4 + attibute_length = 8 字节，SourceFile属性结构如下

伪代码
{
    // 指向常量池类型为CONSTANT_Utf8_info的常量，代表属性名
    u2 attribute_name_index ;
    // 属性表内容占用长度
    u4 attribute_length;
    // 指向常量池类型为CONSTANT_Utf8_info的常量，代表源文件名
    u2 sourcefile_index;
}

因此通过此SourceFile属性表，得知源文件名为TestClass.java

/   字段表   /

查阅.Class文件格式表，接口表之后，就是字段数量已经字段数量表

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字节码字段表

从 0x014D ~ 0x016E ， 其中 0x014D ~ 0x014E 表示字段数， 值为 0x0003，表示字段数为3，随便就是紧挨着的字段表。字段表结构如下

// 伪代码
{
    // 访问标志
    u2 access_flags
    // 指向常量池类型为CONSTANT_Utf8_info的常量，表示字段名
    u2 name_index
    // 指向常量池类型为CONSTANT_Utf8_info的常量，用描述符表示
    // 字段类型
    u2 descriptor_index
    // 属性表数量
    attributes_count
    // 属性表内容
    attribuite_info
}

字段表和.Class一样，能携带自己的属性表处理特殊场景，attribuite_info是非必须的。当attributes_count的值为0时， 说明无需attribuite_info。字段也拥有访问标志来对字段做进一步约束。字段名则用name_index指向常量池的常量来表示，字段类型则用描述符来表示， 比如 Int 表示为 I (忘了往前看基础知识)。

当前例子定义的字段如下：

private int m = 123;
private static int x = 10;
private static final int y = 20;

定义了成员变量 m 和 类变量 x ，y。举例 y 来看

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位置为 0x015F ~ 0x016E，其中：

  • 访问标志：0x001A
  • 字段名索引：0x000B，十进制值为11，指向常量池第11个常量，为y
  • 描述符索引为：0x0009，指向常量池第9个常量，为I
  • 属性表数为：0x0001，数量为1
  • 属性表总占用长度为：u2 + u4 + 2字节 共10位，即 0x0167 ~ 0x016E

字段访问标志位含义如表：

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当前为 private static final ，即 0x0001 | 0x0008 | 0x0010 ， 为 0x001A。
通过访问标志、字段索引、描述符信息，就可以拿到
-> private static final int y 这一信息。

对于使用 final和static修饰的并且时基本数据类型的变量，会使用属性表ConstantVulue来进行赋值。属性表 ConstantVulue 除了约定的基本数据外，还有类型为 u2 的ConstantValue_index 索引来表示指向常量池中的常量用来初始化数据。值位于 0x016D ~ 0x016E，为 0x000D，指向的常量表索引13处的值为整型的20；

而实例中的变量m，类变量x则在成员初始函数、类初始函数中进行赋值，下文做说明。

/   方法表   /

字段表之后，紧挨着的是方法数量与方法表集合

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范围为 0x016F ~ 0x0258，方法数值为 0x0005 共 5 个方法。除了示例自定义的 increace() ，m() 和 hello() 外，还有实例构造方法<init>()v，类构造器<clinit>()方法。

方法表结构为:

伪代码
{
    // 访问标志
    u2 access_flags;
    // 方法名索引，指向常量池类型为CONSTANT_Utf8_info的常量
    u2 name_index;
    // 方法返回值描述符索引，指向常量池类型为CONSTANT_Utf8_info的常量
    u2 descriptor_index；
    // 属性表数量
    u2 attributes_count;
    // 属性表内容
    Info info;
}

方法也可以携带属性表来描述专有场景。通过上述结构以及具体字节码，可以推算出方法所包含的内容。其中，访问标志含义如表：

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取构造实例方法方法<init>()做示例来看：

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信息为:

  • access_flags: 0x0001 ，为public
  • name_index: 0x000E，为14，对应常量池得到 <init>
  • descriptor_index: 0x000F，为15，对应常量池得到 ()V
  • attributes_count: 0x0001，为1，属性表数量为1

可以根据信息反推得到函数信息，实例化函数被表达为 public <init>()V，依次为访问标志位、函数名、返回值。

一个函数方法，更重要的如何表述它所提供的功能。本质上来说，函数体里所有的代码段都是在进行运算操作，因此，只要将函数体里的代码段转换为字节码指令即可，函数执行时根据执行即可，再次之上再几率一下关键信息，就能得出函数执行、栈深度、局部变量数、字节码占用文件大小。

在attributes_count之后，从 0x0179 ～ 0x01A5 是属性表包含的内容。根据之前所说的属性表约定的格式 0x0179 ~ 0x0180 位置值为 0x0010，十进制为16，查找啊常量池知属性表为Code类型。

Code类型属性表结构如下：

// 伪代码
{   
    // 属性表名称索引，指向常量表类型为CONSTANT_Utf8_info的常量
    u2 attribute_name_index;
    // 属性表长度
    u4 attribute_length;
    // 栈深
    u2 max_stack;
    // 局部变量数
    u2 max_locals;
    // 字节码指令长度
    u4 code_length;
    // 字节码指令
    u1 code code_length;
    // 异常表数量
    u2 exception_table_length;
    // 异常表
    exception_info exception_table;
    // 属性表数量
    u2 attributes_count;
    // 属性表
    attribute_info attributes;
}

获取方法信息不仅能直接通过阅读字节码文件，通过

javap -verbose className


也可以拿到，一起贴了

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红圈为字节码指令集，黄圈为每一条字节码指令，绿圈为Code属性表的基本信息，蓝圈为javap工具解析出的实例函数信息。

首先，最大栈深为2，在函数执行的任意时刻都不会超过这个操作数栈深度的最大值；然后局部变量数为1，表示局部变量表所需的存储空间，单位为Slot，此单位是JVM为局部变量分配内存所使用的最小单位。蓝圈里还有args_sige表示方法接受的参数数，这里为1，也就是 this。最后就是函数代码块里转成的字节码指令里。

字节码指令不在文章的讨论范围内，不妨简单了解。

字节码指令代表着某种特定操作，由一个字节长度代表其操作含义，后面可以跟随0到多个所需操作数。

本例子中的初始化函数被翻译成了：
2A B7 00 01 2A 10 7B B5 00 02 B1
也就是上图蓝圈处的:

{
   // 将 this 入栈
   0: aload_0
   // 唤醒父类实例化函数
   1: invokespecial #1
   4: aload_0
   // 将 123 入栈
   5: bitpush  123
   // 访问字段 m，将123存入
   7: putfield #2
   // 方法返回
   10: return
}

这里只说明 putfield #2，对应的字节码为 B5 00 02，其中 B5 代表操作执行 00 02 为操作所需参数，值为 0x0002，表示指向常量池类型为 CONSTANT_Fieldref_info 的常量。CONSTANT_Fieldref_info 结构为

// 伪代码
CONSTANT_Fieldref_info
{
  u1 tag;
  // 指向常量池类型为CONSTANT_ClassInfo_info的常量
  // 代表字段所属类
  u2 class_index;
  // 指向常量池类型为CONSTANT_NameAndType_info的常量
  // 代表字段名和类型
  u2 name_and_type_index;
}

CONSTANT_ClassInfo_info
{
  u1 tag;
  // 指向常量池尾CONSTANT_Utf8_info的常量
  // 代表类名
  u2 name_index;
}

CONSTANT_NameAndType_info
{
  u1 tag;
  // 指向常量池尾CONSTANT_Utf8_info的常量
  // 代表 名称 
  u2 name_index;
  // 指向常量池尾CONSTANT_Utf8_info的常量
  // 代表 所属类型 
  u2 descriptor_index;
}

当前为指向第二个常量，对照信息：

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m初始化

能知道字节码操作 B5 00 02 是将栈中的 123 给 TestClass.m 进行赋值 ，也就是例子中定义的 private int m = 123 的赋值操作。

而 x 的赋值则在类构造器<cinit>中进行，inicrea()和m()函数也可以用相同的方式进行分析。不再陈述，点到为止。

/   总结   /

至此，了解.Class文件的如何，通过.Class文件格式表可以解析出文件内容的基本信息。.Class文件可以看成多张表的集合，根据表制定的规则，顺藤摸瓜，自然能找出对应信息。

.Class文件在如何表达信息上不难理解，难的是有耐心去缕清这些琐碎的索引关系，尤其常量池和属性表部分。属性表部分则提供了足够的发挥空间，根据场景提供更多内容。

文章仅了解了解析.Class文件的基本规则，更进一步的解析规则感兴趣或需要时再了解即可，方法不变。

/   参考   /

《深入理解Java虚拟机》 —— 第6章

深入理解JVM字节码执行引擎
https://blog.csdn.net/suifeng629/article/details/82349784

java中class文件的意义是什么？
https://blog.csdn.net/dangbai01_/article/details/80097340

java语言为什么可以跨平台
https://blog.csdn.net/banjing_1993/article/details/82349013

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本文地址：https://blog.csdn.net/c10WTiybQ1Ye3/article/details/100033626



                    

                        
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