Java9之class檔案格式變動

Java9已經於2017年09月27日釋出。Java9引入了很多新特性，其中最重要的特性，或者說最大的變化，無疑就是模組化了。為了支援模組化，Java從方方面面都進行了改進，包括class檔案格式。已經有很多文章介紹Java9模組化，因此本文並不打算成為另一篇模組化入門文章。本文主要介紹Java9相較Java8在class檔案格式方面的變動。

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測試程式碼

本文將基於模組mymod進行討論，目錄結構如下所示：

j9cf
└── src
    └── mymod
        ├── a
        │   └── b
        │       ├── MyImpl.java
        │       ├── MyService.java
        │       └── c
        │           └── HelloWorld.java
        └── module-info.java

其中a.b包裡定義了MyService和MyImpl兩個類，程式碼如下所示：

package a.b;
public class MyService {}

package a.b;
public class MyImpl extends MyService {}

a.b.c包裡定義了HelloWorld主類，程式碼如下所示：

package a.b.c;
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

module-info.java檔案則對mymod模組進行定義，程式碼如下所示：

module mymod {
    requires java.base;
    requires static java.sql;
    requires transitive java.xml;
    exports a.b.c;
    exports a.b to java.sql, java.xml;
    opens a.b to java.sql, java.xml;
    uses a.b.MyService;
    provides a.b.MyService with a.b.MyImpl;
}

使用下面的命令對模組進行編譯：

cd j9cf
path/to/java9/bin/javac \
    -d mods --module-source-path src \
    src/mymod/module-info.java \
    src/mymod/a/b/c/HelloWorld.java

使用下面的命令將模組打包成jar格式：

cd j9cf
path/to/bin/jar --create \
    --file mymod-1.0.jar \
    --main-class a.b.c.HelloWorld \
    --module-version 1.0 \
    -C mods/mymod .

上面兩個命令執行完之後，j9cf目錄結構如下所示：

j9cf
├── mymod-1.0.jar
├── mods
│   └── mymod
│       ├── a
│       │   └── b
│       │       ├── MyImpl.class
│       │       ├── MyService.class
│       │       └── c
│       │           └── HelloWorld.class
│       └── module-info.class
└── src
    └── mymod
        ├── a
        │   └── b
        │       ├── MyImpl.java
        │       ├── MyService.java
        │       └── c
        │           └── HelloWorld.java
        └── module-info.java

class檔案檢視工具

Java自帶了命令列工具javap，可以反編譯並分析class檔案格式。不過為了更直觀的觀察class檔案，本文使用圖形化工具classpy。

class檔案格式變動

class檔案格式主要在四個方面有變動：版本號、類存取標誌、常量池、類屬性，下面分別進行介紹。

版本號

class檔案大版本號由Java8的52（0x34）增加到了53（0x35），如下圖所示：

類存取標誌

類的存取標誌（access_flags）新增加了ACC_MODULE（0x8000）標誌位，表示class檔案描述的是一個模組，如下所示：

常量池

常量池增加了CONSTANT_Module_info和CONSTANT_Package_info兩種常量。

CONSTANT_Module_info

CONSTANT_Module_info的tag值是19，表示一個模組，其結構如下所示：

CONSTANT_Module_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

比如mymod模組module-info.class檔案常量池的第15個常量就是一個CONSTANT_Module_info常量，表示mymod模組自己，如下圖所示：

CONSTANT_Package_info

CONSTANT_Package_info的tag值是20，表示模組輸出（Export）或者開啟（Open）的包，其結構和CONSTANT_Module_info一樣，如下所示：

CONSTANT_Package_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
}

比如mymod模組module-info.class檔案常量池的第7個常量就是一個CONSTANT_Package_info常量，表示a.b包，如下圖所示：

類屬性

增加了三個預定義屬性：Module_attribute、ModulePackages_attribute和ModuleMainClass_attribute。

ModulePackages_attribute

ModulePackages_attribute屬性記錄和模組相關（比如輸出或使用等）的包，結構如下所示：

ModulePackages_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;

    u2 package_count;
    u2 package_index[package_count];
}

其中package_index是個u2表，表裡的每個u2值都是常量池索引，並且索引指向的一定是CONSTANT_Package_info常量。mymod模組module-info.class檔案的ModulePackages_attribute屬性如下圖所示：

ModuleMainClass_attribute

ModuleMainClass_attribute屬性記錄模組主類，結構如下所示：

ModuleMainClass_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;

    u2 main_class_index;
}

其中main_class_index是指向CONSTANT_Class_info常量的索引。mymod模組module-info.class檔案的ModuleMainClass_attribute屬性如下圖所示：

Module_attribute

Module_attribute屬性比較複雜，結構如下所示：

Module_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;

    u2 module_name_index;
    u2 module_flags;
    u2 module_version_index;

    u2 requires_count;
    {   u2 requires_index;
        u2 requires_flags;
        u2 requires_version_index;
    } requires[requires_count];

    u2 exports_count;
    {   u2 exports_index;
        u2 exports_flags;
        u2 exports_to_count;
        u2 exports_to_index[exports_to_count];
    } exports[exports_count];

    u2 opens_count;
    {   u2 opens_index;
        u2 opens_flags;
        u2 opens_to_count;
        u2 opens_to_index[opens_to_count];
    } opens[opens_count];

    u2 uses_count;
    u2 uses_index[uses_count];

    u2 provides_count;
    {   u2 provides_index;
        u2 provides_with_count;
        u2 provides_with_index[provides_with_count];
    } provides[provides_count];
}

Module_attribute屬性雖然結構複雜，但其實就是module-info.java檔案中模組定義裡requires、exports、opens、uses和provides語句的直接對映。mymod模組module-info.class檔案的Module_attribute屬性總體如下圖所示：

requires語句對應的部分如下圖所示：

exports語句對應的部分如下圖所示：

opens語句對應的部分如下圖所示：

uses語句對應的部分如下圖所示：

provides語句對應的部分如下圖所示：

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以上Java9在class檔案方面的變動就介紹完了，如果想深入瞭解Java8的class檔案格式，請關注自己動手寫Java虛擬機器 這本書 ：）