最近由于項目要求，需要對 Java Class 文件進行更改。因此必須先了解 Java Class 文件的結構。下面是對?JVMS（Java Virtual Machine Specification）?和一些博客內容的總結。

每個 class 文件包括了一個類或者接口的定義。盡管并不是每個類或者接口都要在一個文件中有外部表示（例如通過類加載器生成的類），我們一般認為 class 文件格式是一個類或接口的有效表示。

一個 class 文件由 8位字節流構成。所有16位、32位以及64位的屬性都通過讀取2個、4個或者8個連續的8位字節構造出來，并以此類推。多字節字段用大端法存儲，也就是說高位優先。在 Java SE 平臺中，這種格式由
接口 java.io.DataInput 和 java.io.DataOutput 以及 java.io.DataInputStream 和 java.io.DataOutputStream 等類支持。

Java Class 文件結構

一個 Java Class 文件包括 10 個基本組成部分：

魔數: 0xCAFEBABE

Class 文件格式版本號：class 文件的主次版本號（the minor and major versions）

常量池（Constant Pool）：包含 class 中的所有常量

訪問標記（Access Flags）：例如該 class 是否為抽象類、靜態類，等等。

該類（This Class）：當前類的名稱

父類（Super Class）：父類的名稱

接口（Interfaces）：該類的所有接口

字段（Fields）：該類的所有字段

方法（Methods）：該類的所有方法

屬性（Attributes）：該類的所有屬性（例如源文件名稱，等等）

下面是一個示意圖。

ClassFile {u4 magic;u2 minor_version;u2 major_version;u2 constant_pool_count;cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];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]; }

下圖是使用?Java Bytecode Editor?打開 HelloWorld.class 文件（該文件由后面的 HelloWorld.java 編譯得到）后顯示的該文件的一些信息：（后面詳細介紹到每個部分的時候可以再看看這個圖）

這里有一些可變長度部分，例如常量池、方法、以及屬性，因此在加載之前無法知道 Java Class 文件的長度。在這些部分的前面都有長度信息。這樣 JVM 在真正加載這些部分之前就可以知道可變長度部分的大小。

Class 文件中的數據都是按照單字節對齊并且緊密壓縮。這使得 Class 文件能盡可能小。

Java Class 文件中不同部分的順序是嚴格定義的，因此 JVM 知道 Class 文件中每個部分分別是什么、要按照什么順序加載。

下面來詳細看看一個 Class 文件中的每個部分。

魔數（Magic number）

魔數（Magic number）用來唯一確定格式并和其它格式區別開來。 Class 文件的頭四個字節是0xCAFEBABE。

Class 文件版本號

Class 文件接下來的 4 個字節表示主次版本號。這個數字使得 JVM 可以識別和驗證 class 文件。如果數字比 JVM 能夠加載的還要大，就會拒接加載該 class 文件并拋出?java.lang.UnsupportedClassVersionError?異常。

你可以使用?javap?命令行工具查看任意 Java Class 文件的版本號。例如：

1	javap -verbose MyClass

假設我們有如下一個 Java 類：

1	public?class?HelloWorld {

2	??private?String msg;

3	??public?HelloWorld(String msg) {

4	????this.msg = msg;

5

??}

6	??public?HelloWorld() {

7	????this.msg =?"Default message";

8

??}

9	??public?String getMsg() {

10	????return?msg;

11

??}

12	??public?void?setMsg(String msg) {

13	????this.msg = msg;

14

??}

15	??public?void?printMsg() {

16	????System.out.println(msg);

17

??}

18	??public?static?void?main(String args[]) {

19	????HelloWorld hw =?new?HelloWorld("Hello world from Java");

20	????hw.printMsg();

21

??}

22

}

我們用命令?javac HelloWorld.java?編譯創建 class 文件。然后執行?javap -verbose HelloWorld命令查看 class 文件的版本號：

下面是一個主版本號（Major version）和 class 文件對應 JDK 版本號的列表。

Major VersionHexJDK version

51	0x33	J2SE 7
50	0x32	J2SE 6.0
49	0x31	J2SE 5.0
48	0x30	JDK 1.4
47	0x2F	JDK 1.3
46	0x2E	JDK 1.2
45	0x2D	JDK 1.1

常量池（Constant Pool）

所有和類或者接口相關的常量都保存在常量池里。這些常量包括類名、變量名、接口名稱、方法名稱、簽名和字符串常量等。

常量在常量池中以一個可變長數組的元素形式保存。常量數組前面有一個數組大小，因此 JVM 知道加載 class 文件的時候需要加載多少個常量。

對于每一個數組元素，第一個字節是一個標記（tag），表示該位置常量的類型。JVM 通過讀取這個字節確定常量的類型。如果單字節標記表示是一個字符串字面值，就會讀取后兩個字節，表示字符串字面值的長度，根據長度再從后面讀取對應長度的字符串的實際值。

你可以使用?javap?命令分析任何 class 文件的常量池。如果對上面的 HelloWorld.class 文件執行 javap 命令，我們可以獲得下面的符號表。

常量池總共有 42 個元素。注意：constant_pool_count 的值是常量池的數目再加上1，例如這里是 43。一個常量池索引只有大于0且小于 constant_pool_count 時才認為有效。

下面是單字節標記對應的值及其解釋，對于每個類型對應的結構體，可以參考?JVMS The Constant Pool。

常量類型	值
CONSTANT_Class	7
CONSTANT_Fieldref	9
CONSTANT_Methodref	10
CONSTANT_InterfaceMethodref	11
CONSTANT_String	8
CONSTANT_Integer	3
CONSTANT_Float	4
CONSTANT_Long	5
CONSTANT_Double	6
CONSTANT_NameAndType	12
CONSTANT_Utf8	1
CONSTANT_MethodHandle	15
CONSTANT_MethodType	16
CONSTANT_InvokeDynamic	18

訪問標記（Access flags）

常量池后面的就是訪問標記。它由兩個字節組成，表示該文件定義的是類還是接口、如果是個類，是 public、abstract還是 final 等。下面是訪問標記列表及其對應的解釋：

標記名稱值解釋

ACC_PUBLIC	0x0001	表示public/strong>；包外的類也可以訪問。
ACC_FINAL	0x0010	表示?final；不允許有任何子類。
ACC_SUPER	0x0020	通過 invokespecial 指令調用時調用父類的方法。
ACC_INTERFACE	0x0200	是一個接口而不是類
ACC_ABSTRACT	0x0400	表示?抽象類，不能被實例化。

this Class

This class 是一個兩個字節的條目，它的值是一個常量池索引。例如對于 HelloWorld.class 文件，該處的值是0x0006。在常量池中這個索引指向的條目包括兩個部分，第一個部分是單字節標記，表示這是一個類或是接口，第二部分又是一個兩個字節的常量池索引，指向表示該類或接口的字符串字面值。例如在這個例子中，0x0006?索引所在的條目是一個Class_info，它指向索引值為?0x0021，也就是 33 的?Utf8_info，這個 utf8_info 的值為 HelloWorld，也就是實際的類名。可以查看上面 Java Class 文件常量池示意圖對應 #6 和 #33部分。

super Class

接下來的 2 個字節是該類的父類（Super Class）。和 this class 類似，兩個字節的值是常量池的一個索引，該索引處的常量值是該類的父類。

接口（Interfaces）

該類（或接口）定義的所有接口都在 class 文件的這個部分。起始的兩個字節表示接口的數目，接下來是一個數組，每個數據包括兩個字節，這兩個字節的值又是一個常量池索引，指向具體的接口名稱。

字段（Fields）

一個字段是類或者接口在實例或類層面的變量（屬性）。字段（Fields）部分只包括 class 文件中類或接口定義的字段，而不包括從父類或父接口中繼承而來的字段。

Fileds 部分的前兩個字節也是一個計數，表示字段的數目。接下來是一個表示每個字段的一個數組。每個數組元素是一個可變長度的結構體。該字段的一些信息保存在這個結構體中，也有一些信息保存在常量池中。

方法（Methods）

Methods 部分包括了該類顯式定義的方法，不包括從父類或父接口中繼承來的方法。

頭兩個字節表示方法的數目。剩下的又是一個可變長度數組，其中保存了每個方法的信息。方法結構體保存了方法的多個信息，例如參數列表、返回值、保存局部變量和操作數需要的堆棧數目、異常表、字節碼系列等。

屬性（Attributes）

屬性部分包括了 class 文件的多個屬性信息，例如其中之一是源碼屬性（source code attribute），表示這個 class 文件是從哪個源文件編譯得到的。

屬性部分的前兩個字節表示屬性的數目，接下來的是屬性具體內容。JVM 會忽視任何它無法識別的屬性。

前面介紹的可以說是背景知識，下面的就是是實際的動手實踐

Hacking Into Java Class File

假如我們手里只有一個 HelloWorld.class 文件，我們想在沒有源文件的情況下修改類名，例如我想把類改為 CppWorld。該怎么辦呢？一般有兩種方法：反編譯或者修改直接修改 class 文件。

下面是我在?Decompilers online?用 CFR 方法反編譯 HelloWorld.class 文件得到的結果：

1

/*

2	?* Decompiled with CFR 0_110.

3

?*/

4	import?java.io.PrintStream;

5

?

6	public?class?HelloWorld {

7	????private?String msg;

8

?

9	????public?HelloWorld(String string) {

10	????????this.msg = string;

11

????}

12

?

13	????public?HelloWorld() {

14	????????this.msg =?"Default message";

15

????}

16

?

17	????public?String getMsg() {

18	????????return?this.msg;

19

????}

20

?

21	????public?void?setMsg(String string) {

22	????????this.msg = string;

23

????}

24

?

25	????public?void?printMsg() {

26	????????System.out.println(this.msg);

27

????}

28

?

29	????public?static?void?main(String[] arrstring) {

30	????????HelloWorld helloWorld =?new?HelloWorld("Hello world from Java");

31	????????helloWorld.printMsg();

32

????}

33

}

看起來和上面的 HelloWorld.java 完全一樣，這時候我們再修改 .java 文件，更改類名，然后再編譯得到新的類。這對于一個 Java 新手來說都是輕而易舉。但問題是，對于一個復雜的類或者有很多 .class 文件的 jar 包，反編譯的結果仍然正確嗎？

答案顯然是否定的，我嘗試了Decompilers online?上面的所有方法去反編譯一個 JDBC Jar 包，得到的結果存在一大堆錯誤，從顯而易見的到人肉眼都難以發現的錯誤都有。如果這時候再去一一修正，顯然比較困難。一方面反編譯出來的源碼比較晦澀難懂，例如它里面使用了非常多的 switch case 語句，或者對于無法簡單判斷出來的類型，反編譯器使用了 Object 類代替；另一方面，反編譯出來的源碼是沒有注釋的，一個有上千個文件但卻沒有一行注釋的源碼，單只是想想就令人恐懼。

下面我們就嘗試第二種方法，直接修改 class文件。顯而易見的是我們可以嘗試把 class文件中的所有 “HelloWorld” 字符串替換為 “CppWorld” 字符串。這只需要一個支持16進制編輯的文本編輯器就可以實現。例如我使用 UltraEdit 完成這個字符串替換操作，然后把文件名 HelloWorld.class 修改為 CppWorld.class。然后運行，結果如下：

是什么原因呢？這里我們只替換了字符串，但沒有替換字符串前面的長度。那么如果替換前后字符串長度相同是不是就可以了呢？例如我想替換為 MycppWorld。再來嘗試一次，結果在上面的截圖中。可以看出，對于相同長度的字符串，簡單地進行字符串替換是可以達到 Hack Class File 目的的。同樣，對于字符串長度不一樣的情況，我們只需要同時修改字符串前面的長度即可。通過閱讀?JVMS?中的?Class File Format?章節，發現其實只需要修改?Constant Pool?部分、其余保持不變即可。例如說下面這個簡單的事例程序，它實現了 Class 文件 Constant Pool 部分的字符串替換：

1	import?java.io.BufferedReader;

2	import?java.io.File;

3	import?java.io.FileInputStream;

4	import?java.io.FileOutputStream;

5	import?java.io.IOException;

6	import?java.io.InputStreamReader;

7	import?java.nio.ByteBuffer;

8	import?java.nio.ByteOrder;

9

?

10

/**

11	?* String replace in Java .class file.

12	?* Reference: Java Virtual Machine Specification CLASS file format

13	?*?https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html

14

?*

15	?* @author luoyuanhao

16

?*

17

?*/

18

?

19	public?class?Localization {

20

?

21	??public?static?void?localize(String path) {

22	????FileInputStream fis =?null;

23	????FileOutputStream fos =?null;

24	????long?totalsize =?0;

25	????int?aval_buf =?100;

26	????byte[] bs =?new?byte[aval_buf];

27

????try?{

28	??????// Output replaced content to file path.out

29	??????fis =new?FileInputStream(

30	??????????new?File(path));

31	??????fos =?new?FileOutputStream(

32	??????????new?File(path +?".out"));

33	??????System.out.println("Processing: "?+ path);

34

?

35	??????// Skip magic, max and minus version, 8 bytes

36	??????fis.read(bs,?0,?8);

37	??????fos.write(bs,?0,?8);

38	??????totalsize +=?8;

39

?

40	??????// Get number of constant pool entries, 2 bytes

41	??????fis.read(bs,?0,?2);

42	??????fos.write(bs,?0,?2);

43	??????totalsize +=?2;

44	??????short?cp_number = bytes2short(bs,?0,?2);

45	??????System.out.println("Constant pool number: "?+ cp_number);

46

?

47	??????// Handle each constant pool entry

48	??????String str =?null;

49	??????for?(short?i =?1; i < cp_number; i++) {

50	????????// Read flag, 1 byte

51	????????fis.read(bs,?0,?1);

52	????????fos.write(bs,?0,?1);

53	????????totalsize +=?1;

54	????????// Unless tag value is 1(means utf-8_info where replacement

55	????????// to be done), just skip specific bytes.

56	????????short?tag = bytes2short(bs,?0,?1);

57	????????switch?(tag) {

58	????????case?7:

59	????????case?8:

60	????????case?16:

61	??????????fis.read(bs,?0?,2);

62	??????????fos.write(bs,?0,?2);

63	??????????totalsize +=?2;

64	??????????break;

65	????????case?15:

66	??????????fis.read(bs,?0,?3);

67	??????????fos.write(bs,?0,?3);

68	??????????totalsize +=?3;

69	??????????break;

70	????????case?3:

71	????????case?4:

72	????????case?9:

73	????????case?10:

74	????????case?11:

75	????????case?12:

76	????????case?18:

77	??????????fis.read(bs,?0,?4);

78	??????????fos.write(bs,?0,?4);

79	??????????totalsize +=?4;

80	??????????break;

81	????????case?5:

82	????????case?6:

83	??????????fis.read(bs,?0,?8);

84	??????????fos.write(bs,?0,?8);

85	??????????//? Next cp index must be valid but is considered unusable

86	??????????i++;

87	??????????totalsize +=?8;

88	??????????break;

89	????????case?1:

90

????????{

91	??????????fis.read(bs,?0,?2);

92	??????????totalsize +=?2;

93	??????????short?str_len = bytes2short(bs,?0?,2);

94	??????????while?(str_len > aval_buf) {

95	????????????System.out.println("Constant pool number: "?+ i);

96	????????????System.out.println("Buffer overflow, double it from "+

97	????????????????aval_buf +?" to "?+ aval_buf *?2);

98	????????????aval_buf *=?2;

99	????????????bs =?new?byte[aval_buf];

100	??????????}

101	??????????fis.read(bs,?0, str_len);

102	??????????totalsize += str_len;

103	??????????// There may be '\0' in bytes array, but UTF-8 can't

104	??????????// handle it, so using 'ISO-8859-1' to encode string.

105	??????????str =?new?String(bs,?0, str_len,?"ISO-8859-1");

106	??????????str = localizeInternal(str);

107	??????????str_len = (short)str.length();

108	??????????byte[] new_len = short2bytes(str_len);

109	??????????// Update string and length

110	??????????fos.write(new_len,?0,?2);

111	??????????fos.write(str.getBytes("ISO-8859-1"),?0, str_len);

112	??????????break;

113

????????}

114	????????default:

115	??????????System.out.println("File: "?+ path);

116	??????????System.out.println("Unrecognized tag: "?+ tag +?", cp num: "?+ i);

117	??????????System.out.println("After: "?+ str +?". Byte offset:"?+ totalsize);

118	??????????System.exit(1);

119	????????}// end switch

120	??????}// end for

121	??????// Read rests

122	??????byte[] bsrest =?new?byte[fis.available()];

123	??????fis.read(bsrest);

124	??????fos.write(bsrest);

125	????}?catch?(Exception e) {

126	??????e.printStackTrace();

127	????}?finally?{

128	??????if?(fis !=?null) {

129	????????try?{

130	??????????fis.close();

131	????????}?catch?(IOException e) {

132	??????????e.printStackTrace();

133

????????}

134

??????}

135	??????if?(fos !=?null) {

136	????????try?{

137	??????????fos.close();

138	????????}?catch?(IOException e) {

139	??????????e.printStackTrace();

140

????????}

141

??????}

142

????}

143

??}

144

?

145	??private?static?short?bytes2short(byte[] bs,?int?offset,?intlength) {

146	????if?(length ==?1)?return?(short) (bs[0] &?0xFF);

147	????ByteBuffer buf = ByteBuffer.wrap(bs, offset, length);

148	????buf.order(ByteOrder.BIG_ENDIAN);

149	????return?buf.getShort();

150

??}

151

?

152	??private?static?byte[] short2bytes(short?val) {

153	????ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(2);

154	????buf.putShort(val);

155	????return?buf.array();

156

??}

157

?

158	??private?static?String localizeInternal(String str) {

159

?

160	????// Replace "HelloWorld" whih "CppWorld"

161	????String new_str = str.replaceFirst("HelloWorld",?"CppWorld");

162	????while?(!new_str.equals(str)) {

163	??????str = new_str;

164	??????new_str = str.replaceFirst("HelloWorld",?"CppWorld");

165

????}

166	????return?str;

167

??}

168

?

169	??public?static?void?main(String args[]) {

170	????localize("HelloWorld.class");

171

??}

172

}

下面是運行的結果，我們首先編譯這個工具類 Localization.java，然后使用這個工具類修改 HelloWorld.class 文件生成 HelloWorld.class.out 文件，重命名 HelloWorld.class.out 文件為 CppWorld.class 文件，然后運行 java CppWorld。運行成功！

from:?http://www.stay-stupid.com/?p=401?

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java Class 文件格式及其简单 Hack的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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