Java Class檔案詳解
Java Class檔案中包含以下資訊：
ClassFile {
u4 magic; //模數
u2 minor_version; //次版本號
u2 major_version; //主版本號
u2 constant_pool_count; //常量池大小
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; //常量池
u2 access_flags; //類和介面層次的訪問標誌（通過|運算得到）
u2 this_class; //類索引（指向常量池中的類常量）
u2 super_class; //父類索引（指向常量池中的類常量）
u2 interfaces_count; //介面索引計數器
u2 interfaces[interfaces_count]; //介面索引集合
u2 fields_count; //欄位數量計數器
field_info fields[fields_count]; //欄位表集合
u2 methods_count; //方法數量計數器
method_info methods[methods_count]; //方法表集合
u2 attributes_count; //屬性個數
attribute_info attributes[attributes_count]; //屬性表
}
1. 通過例項來看
public interface InterA {
void interA();
}
public interface InterB {
String interB(int i);
}
public interface InterC {
void interC();
}
public class Base implements InterA {
private int baseInt;
protected String baseString;
public int getBaseInt() {
return baseInt;
}
public void setBaseInt(int baseInt) {
this.baseInt = baseInt;
}
@Override
public void interA() {
System.out.println("the interA in Base");
}
}
public class Sub extends Base implements InterB, InterC {
private int subInt;
private static String subString;
private static Object subObject;
public int getSubInt() {
return subInt;
}
public void setSubInt(int subInt) {
this.subInt = subInt;
}
public static String getSubString() {
return subString;
}
public static void setSubString(String subString) {
Sub.subString = subString;
}
public static Object getSubObject() {
return subObject;
}
public static void setSubObject(Object subObject) {
Sub.subObject = subObject;
}
@Override
public void interC() {
System.out.println("the interC in Sub");
}
@Override
public String interB(int i) {
return "the interB in Sub";
}
}
我們使用WinHex檢視Sub類的.class檔案：
2. 魔數
作用：確定該檔案是否是虛擬機器可接受的class檔案。java的魔數統一為 0xCAFEBABE (來源於一款咖啡)。
區域：檔案第0~3位元組。
3. 版本號
作用：表示class檔案的版本，由minorversion和majorversion組成。
區域：檔案第4~7位元組。
如
51代表，jdk為1.7.0
需要注意的是java版本號是從45開始的，大版本釋出，主版本號+1.高版本的jdk能向下相容以前版本的class檔案，但不相容以後版本的class檔案。
4. 常量池
常量池的大小是不固定的，根據你的類中的常量的多少而定，所以在常量池的入口，放置了一個u2型別的表示常量池中常量個數的常量池容量計數器。計數器從1開始，第0位有特殊含義，表示指向常量池的索引值資料不引用任何一個常量池專案。池中的資料項就像陣列一樣是通過索引訪問的。
我們可以清楚的看到，我們常量池中有63-1=62個常量。這些常量是什麼呢？
要存放字面量Literal和符號引用Symbolic References。
字面量可能是文字字串，或final的常量值。
符號引用包括以下：
- 類或介面全限定名 Full Qualified Name
- 欄位名稱和描述符 Descriptor
- 方法名稱和描述符
我們使用反編譯工具檢視一下：
E:\program\JVM\bin\com\gissky\clazz>javap -v Sub.class Classfile /E:/program/JVM/bin/com/gissky/clazz/Sub.class Last modified 2015-2-22; size 1363 bytes MD5 checksum 2dc77c79e4790422407eb7092085883c Compiled from "Sub.java" public class com.gissky.clazz.Sub extends com.gissky.clazz.Base implements com.gissky.clazz.InterB,com.gissky.clazz.InterC SourceFile: "Sub.java" minor version: 0 major version: 51 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER Constant pool: #1 = Class #2 // com/gissky/clazz/Sub →類和介面的全限定名 #2 = Utf8 com/gissky/clazz/Sub #3 = Class #4 // com/gissky/clazz/Base #4 = Utf8 com/gissky/clazz/Base #5 = Class #6 // com/gissky/clazz/InterB #6 = Utf8 com/gissky/clazz/InterB #7 = Class #8 // com/gissky/clazz/InterC #8 = Utf8 com/gissky/clazz/InterC #9 = Utf8 subInt #10 = Utf8 I #11 = Utf8 subString #12 = Utf8 Ljava/lang/String; #13 = Utf8 subObject #14 = Utf8 Ljava/lang/Object; #15 = Utf8 <init> #16 = Utf8 ()V #17 = Utf8 Code #18 = Methodref #3.#19 // com/gissky/clazz/Base."<init>":()V #19 = NameAndType #15:#16 // "<init>":()V #20 = Utf8 LineNumberTable #21 = Utf8 LocalVariableTable #22 = Utf8 this #23 = Utf8 Lcom/gissky/clazz/Sub; #24 = Utf8 getSubInt #25 = Utf8 ()I #26 = Fieldref #1.#27 // com/gissky/clazz/Sub.subInt:I → 類中欄位的符號引用 #27 = NameAndType #9:#10 // subInt:I → 類中欄位的部分符號引用之名稱和型別 #28 = Utf8 setSubInt #29 = Utf8 (I)V #30 = Utf8 getSubString #31 = Utf8 ()Ljava/lang/String; #32 = Fieldref #1.#33 // com/gissky/clazz/Sub.subString:Ljava/lang/String; #33 = NameAndType #11:#12 // subString:Ljava/lang/String; #34 = Utf8 setSubString #35 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V #36 = Utf8 getSubObject #37 = Utf8 ()Ljava/lang/Object; #38 = Fieldref #1.#39 // com/gissky/clazz/Sub.subObject:Ljava/lang/Object; #39 = NameAndType #13:#14 // subObject:Ljava/lang/Object; #40 = Utf8 setSubObject #41 = Utf8 (Ljava/lang/Object;)V #42 = Utf8 interC #43 = Fieldref #44.#46 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; #44 = Class #45 // java/lang/System #45 = Utf8 java/lang/System #46 = NameAndType #47:#48 // out:Ljava/io/PrintStream; #47 = Utf8 out #48 = Utf8 Ljava/io/PrintStream; #49 = String #50 // the interC in Sub #50 = Utf8 the interC in Sub #51 = Methodref #52.#54 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V #52 = Class #53 // java/io/PrintStream #53 = Utf8 java/io/PrintStream #54 = NameAndType #55:#35 // println:(Ljava/lang/String;)V #55 = Utf8 println #56 = Utf8 interB #57 = Utf8 (I)Ljava/lang/String; #58 = String #59 // the interB in Sub →方法中用到的String常量 #59 = Utf8 the interB in Sub #60 = Utf8 i #61 = Utf8 SourceFile #62 = Utf8 Sub.java
常量池中的專案型別如下：
- CONSTANT_Utf8_info tag標誌位為1, UTF-8編碼的字串
- CONSTANT_Integer_info tag標誌位為3， 整形字面量
- CONSTANT_Float_info tag標誌位為4， 浮點型字面量
- CONSTANT_Long_info tag標誌位為5， 長整形字面量
- CONSTANT_Double_info tag標誌位為6， 雙精度字面量
- CONSTANT_Class_info tag標誌位為7， 類或介面的符號引用
- CONSTANT_String_info tag標誌位為8，字串型別的字面量
- CONSTANT_Fieldref_info tag標誌位為9, 欄位的符號引用
- CONSTANT_Methodref_info tag標誌位為10，類中方法的符號引用
- CONSTANT_InterfaceMethodref_info tag標誌位為11, 介面中方法的符號引用
- CONSTANT_NameAndType_info tag 標誌位為12，欄位和方法的名稱以及型別的符號引用
5. 類或介面訪問標誌
表示類或者介面方面的訪問資訊，比如Class表示的是類還是介面，是否為public、static、final等。，下面我們就來看看TestClass的訪問標示。Class的訪問標誌值為0×0021：
根據前面說的各種訪問標示的標誌位，我們可以知道：0×0021=0×0001|0×0020 也即ACC_PUBLIC 和 ACC_SUPER為真，其中ACC_PUBLIC大家好理解，ACC_SUPER是jdk1.2之後編譯的類都會帶有的標誌。
6. 類索引、父類索引與介面索引集合
Class檔案中由這3項資料來確定類的繼承關係。
類索引和父類索引都是指向常量池中的常量索引：
緊接著後面是一個介面的計數器和介面描述符：
7. 欄位表集合
作用：描述介面或者類中宣告的類變數以及例項變數，不包括方法中的區域性變數。
緊接著介面索引集合之後的2位元組是欄位計數器：
表示我們類中有3個欄位，這裡便是subInt、subString、subObject 3個欄位。緊接其後的是欄位表，欄位表結構為：
field_info
{
u2 access_flags;
u2 name_index;
u2 descriptor_index;
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
access_flags項的值是用於定義欄位被訪問許可權和基礎屬性的掩碼標誌。取值範圍如下表：
描述符標識字元含義：
V 表示特殊型別void。
對於陣列型別，每一個維度將使用一個前置的”["字元來描述，如一個定義的"java.lang.String[][]“型別的二維陣列，將被記錄為:”[[Ljava/lang/String;",一個整型陣列"int[]“將被記錄為”[I"
父類中的欄位不會出現在子類的欄位表中。
8. 方法表集合
欄位表集合結束後便是方法表集合。
作用：描述該類中的方法。
和欄位表一樣，使用一個u2型別的方法計數器，記錄該類中方法的個數。
表示我們的類中有9個方法。
方法表的結構如下圖所示
其中name_index和descriptor_index表示的是方法的名稱和描述符，他們分別是指向常量池的索引。這裡需要結解釋一下方法的描述符，方法的描述符的結構為：（引數列表）返回值，比如public int instanceMethod(int param)的描述符為：（I）I，表示帶有一個int型別引數且返回值也為int型別的方法，方法java.lang.String.toString()的描述符為"()Ljava/lang/String;"，int IndexOf(char[] source,int sourceOffset,int sourceCount,char[] target int targetOffset,int targetCount,int fromIndex) 表示為([CII[CII)I。接下來就是屬性數量以及屬性表了，方法表和欄位表雖然都有 屬性數量和屬性表，但是他們裡面所包含的屬性是不同。
如果父類方法在子類中沒有被重寫（@Override），方法表中就不會出現來自父類的方法資訊。
9. 屬性表集合
上面的方法表中我們就看到<init>方法有一個Code的屬性。在本節我們將闡述這些屬性：
Code屬性：
該屬性裡主要存放由javac編譯器處理後得到的位元組碼指令。
其中attribute_name_index指向常量池中值為Code的常量，attribute_length的長度表示Code屬性表的長度（這裡 需要注意的時候長度不包括attribute_name_index和attribute_length的6個位元組的長度）。
max_stack表示最大棧深度，虛擬機器在執行時根據這個值來分配棧幀中運算元的深度，而max_locals代表了區域性變數表所需的儲存空間。
max_locals的單位為slot，slot是虛擬機器為區域性變數分配記憶體的最小單元，在執行時，對於不超過32位型別的資料型別，比如 byte,char,int等佔用1個slot，而double和Long這種64位的資料型別則需要分配2個slot，另外max_locals的值並不是所有區域性變數所需要的記憶體數量之和，因為slot是可以重用的，當區域性變數超過了它的作用域以後，區域性變數所佔用的slot就會被重用。方法引數、顯示異常處理器的引數、方法體中定義的區域性變數都要使用區域性變數表來存放。
code_length代表了位元組碼指令的數量，而code表示的是位元組碼指令，從上圖可以知道code的型別為u1,一個u1型別的取值為0x00-0xFF,對應的十進位制為0-255，目前虛擬機器規範已經定義了200多條指令。
exception_table_length以及exception_table分別代表方法對應的異常資訊。
attributes_count和attribute_info分別表示了Code屬性中的屬性數量和屬性表，從這裡可以看出Class的檔案結構中，屬性表是很靈活的，它可以存在於Class檔案，方法表，欄位表以及Code屬性中。
修改一下Sub中的InterB方法：
@Override
public int interB(int i){
int x=0;
try{
x+=i;
return x;
}catch(Exception e){
x=-1;
return x;
}finally{
x=3;
}
}
大家不妨先猜一下這個函式的結果是什麼？假如在try塊中發生異常，結構又是什麼？我相信對Java語言熟悉的朋友，肯定知道答案。
使用反編譯工具檢視：
public int interB(int);
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=6, args_size=2
0: iconst_0
1: istore_2
2: iload_2
3: iload_1
4: iadd
5: istore_2
6: iload_2
7: istore 5
9: iconst_3
10: istore_2
11: iload 5
13: ireturn
14: astore_3
15: iconst_m1
16: istore_2
17: iload_2
18: istore 5
20: iconst_3
21: istore_2
22: iload 5
24: ireturn
25: astore 4
27: iconst_3
28: istore_2
29: aload 4
31: athrow
Exception table:
from to target type
2 9 14 Class java/lang/Exception
2 9 25 any
14 20 25 any
LineNumberTable:
line 35: 0
line 37: 2
line 38: 6
line 43: 9
line 38: 11
line 39: 14
line 40: 15
line 41: 17
line 43: 20
line 41: 22
line 42: 25
line 43: 27
line 44: 29
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 32 0 this Lcom/gissky/clazz/Sub;
0 32 1 i I
2 30 2 x I
15 10 3 e Ljava/lang/Exception;
StackMapTable: number_of_entries = 2
frame_type = 255 /* full_frame */
offset_delta = 14
locals = [ class com/gissky/clazz/Sub, int, int ]
stack = [ class java/lang/Exception ]
frame_type = 74 /* same_locals_1_stack_item */
stack = [ class java/lang/Throwable ]
}
從 args_size=2這條反編譯程式碼，我們可以知道，在public int interB(int i)這個方法中有6個區域性變數，2個引數，可是我們的函式中明明只有一個引數麼……這是因為編譯器會為每一個例項函式包括構造器新增一個引數this，在JVM呼叫該方法的時候會該形參傳遞一個實參—方法所在物件的自身。
Exception table:
from to target type
2 9 14 Class java/lang/Exception
2 9 25 any
14 20 25 any
上表表頭表示，當位元組碼在form行到to行（不包括to行）出現型別為type的異常，則轉到第target行繼續處理。
從方法的異常表中，我們可以看到這個函式有3條執行路徑：
這裡我們插入闡述一下LineNumberTable表的含義：它表示Java原始碼行號與位元組碼行號之間的對應關係。
對照上圖，我們能清晰的看出這3條路徑。
知道了該方法執行的3條路徑，我們也就知道剛才我們的那個問題有3個答案：沒有異常是為x+i；try塊中出現Exception型別的錯誤時，返回-1；出現Exception以外的任何異常方法非正常結束，沒有返回值。
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 32 0 this Lcom/gissky/clazz/Sub;
0 32 1 i I
2 30 2 x I
15 10 3 e Ljava/lang/Exception;
LocalVariableTable表示區域性變數表，描述方法中區域性變數。
如果你對返回的答案能理解的話，那麼我相信你也肯定知道，我們函式中只有4個引數，但max_locals卻等於6。不懂的話仔細看一下Code中位元組碼的執行過程變可以理解了。
一個方法在執行時需要多大的區域性變數空間在編譯時期就知道了，方法執行期間不會改變區域性變數表的大小。
Signature 屬性：
該屬性是在JDK1.5新增的。該屬性可用於類、屬性表和方法表結構的屬性表中。使用泛型簽名如果包含了型別變數（Type Variables）或引數化型別（Parameterized Types），則Signature 屬性會為它記錄泛型簽名資訊。當我們要泛型類中拿到泛型的實際型別的時候非常有用。
例項：
在使用Hibernate時，我習慣將為Dao層封裝一個泛型基類，來放置一些通用的方法，而Hibernate有很多方法都要傳遞一個POJO的型別，然後進行查詢，如load方法。我們構建這樣的一個基類：
public abstract class BaseDaoImpl<T, PK extends Serializable> extends HibernateDaoSupport implements BaseDao<T, PK>
那麼load中要使用的POJO型別便是T的實際型別。怎麼來那倒這個屬性呢？這裡邊要使用到Signature屬性了。
public abstract class BaseDaoImpl<T, PK extends Serializable> extends HibernateDaoSupport implements BaseDao<T, PK> {
private Class<T> entityClass;
@SuppressWarnings("unchecked")
public BaseDaoImpl() {
//class OrgDao extends BaseDaoImpl<Organization, String> implements OrgDao {}
Class c = this.getClass(); //返回的是使用new建立的泛型類對應的物件的class物件。
Type type = c.getGenericSuperclass(); //取得該物件的泛型類
//取得泛型對應的真正的class，並放到陣列中
Type[] types = ((ParameterizedType)type).getActualTypeArguments();
entityClass = (Class<T>) types[0];
}
這時，getById中就可以直接使用了：
public T getById(PK id) {
return (T) getHibernateTemplate().load(entityClass, id);
}
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