歡迎來到“”第二期。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。本期，我們稍稍窺探一下Java類文件的基本結(jié)構(gòu)。

為旅行而生

Java類文件(.class文件)是一個為已編譯Java程序仔細(xì)定義的格式。Java源代碼被編譯成能夠被任何JVM加載和執(zhí)行的類文件。在被JVM加載之前，類文件可能是由網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(wǎng)絡(luò)，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(guān)于一個Java類或接口的一切。按照它們的出現(xiàn)次序，主要的部分有：魔法數(shù)(magic)，版本號(version)，常量池(constant pool)，訪問標(biāo)示符區(qū)(access flags)，當(dāng)前類區(qū)(this class)，超類區(qū)(super class)，父接口區(qū)(interfaces)，字段區(qū)(fields)，方法列表區(qū)(methods)，屬性區(qū)(attributes)。

保存在類文件中的信息經(jīng)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(yù)測。例如，在方法區(qū)里的方法數(shù)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(shù)。類文件中，這些信息的實際大小或長度，被安排在信息內(nèi)容之前。這樣，當(dāng)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(nèi)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(jié)(byte)邊界對齊。這使得類文件很小，適合網(wǎng)絡(luò)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(yán)格定義的。例如，每個JVM都知道類文件的前8個字節(jié)由魔法數(shù)和版本號組成，常量池從第9個字節(jié)開始，訪問標(biāo)示符區(qū)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(biāo)示符區(qū)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(jié)就是訪問標(biāo)示符區(qū)。

魔法數(shù)(Magic)和版本號(Version)

每個類文件的開始4個字節(jié)都是0xCAFEBABE。這個神奇的數(shù)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(jié)開頭。之所以稱之為魔法數(shù)，是因為它可以被文件格式設(shè)計者們從帽子里拉出來(??)。對它僅有的要求是，不能被現(xiàn)實已有的文件格式占用。根據(jù)最初Java團隊主要成員之一的Patrick Naughton所說，遠在“Java”被當(dāng)作Java語言的名稱之前，這個神奇的數(shù)字就已經(jīng)被選好了。我們當(dāng)時在尋找一個有趣，獨特并且很容易記住的數(shù)字。0xCAFEBABE作為漂亮的Peet’s Coffee的咖啡師的代稱，能預(yù)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(jié)包含了大版本號(major version)和小版本號(minor version)。這些數(shù)字標(biāo)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(guān)聯(lián)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(shù)類型(argument types)組成。

常量池被組織成一個元素長度可變的數(shù)組。每個常量占據(jù)數(shù)組中的一個元素。在整個類文件中，常量通過指示它們在數(shù)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(shù)組的元素個數(shù)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(jié)標(biāo)簽(tag)開始。一旦JVM看到這個標(biāo)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(biāo)簽，JVM會認(rèn)為接下來2個字節(jié)就是字符串的長度，然后就是“長度”個字節(jié)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(shù)組的第n個元素。從常量池組織的像個數(shù)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(biāo)識符區(qū)(Access Flags)

常量池之后的2個字節(jié)就是訪問標(biāo)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(dāng)前類區(qū)(This class)

接下來2個字節(jié)是當(dāng)前類區(qū)，它是常量池數(shù)組的索引。被當(dāng)前類引用的常量constant_pool[this_class]，包含兩部分：單字節(jié)標(biāo)簽(tag)和雙字節(jié)名稱索引(name index)。標(biāo)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(dāng)前類部分稍稍揭示了常量池是怎么被使用的。當(dāng)前類區(qū)本身只是一個常量池的索引。當(dāng)JVM查找constant_pool[this_class]時，它找到一個用標(biāo)簽表明自己是一個CONSTANT_Class得元素。JVM知道CONSTANT_Class元素在標(biāo)簽(tag)之后，總是有一個叫名稱索引(name index)的常量池雙字節(jié)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(qū)(Super class)

當(dāng)前類區(qū)之后是超類區(qū)，也是2個字節(jié)的常量池索引。constant_pool[super_class]是CONSTANT_Class元素，它指向當(dāng)前類所直接繼承的超類名。

接口區(qū)(Interfaces)

接口區(qū)開頭的2個字節(jié)，表示文件所定義的類(或接口)實現(xiàn)的接口數(shù)目。緊接著是一個數(shù)組，它包含了類所實現(xiàn)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(qū)(Fields)

字段部分，以表示該類或接口包含的字段數(shù)的2個字節(jié)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(jié)構(gòu)為元素的數(shù)組，一個結(jié)構(gòu)一個字段。每個結(jié)構(gòu)都包含一個字段的相關(guān)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(jié)構(gòu)當(dāng)中，另一部分在常量池中由結(jié)構(gòu)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(qū)(Methods)

方法部分，以表示類或接口中方法數(shù)目的2字節(jié)開始。這個數(shù)目，只包含當(dāng)前類顯式定義的方法，不包括繼承自超類的方法。數(shù)目之后是方法本身。

表示每個方法的結(jié)構(gòu)包含方法相關(guān)的幾條信息，包括方法描述符(method descriptor，包括返回值類型和參數(shù)列表)，方法本地變量需要的棧字(stack words)數(shù)，方法操作數(shù)棧(operand stack)需要的最大棧字?jǐn)?shù)，方法捕獲的異常表，字節(jié)碼序列和行號表。

屬性區(qū)(Attributes)

排在最后的是屬性區(qū)，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(qū)以2字節(jié)的屬性數(shù)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(dāng)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。

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總結(jié)

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