Java 虛擬機器之五：Java位元組碼檔案結構

一：前言

Java 虛擬機器規範中規定了 Java 虛擬機器結構、Class 類檔案結構、位元組碼指令等內容，其中對於軟體開發人員來說，類檔案結構是有必要了解的一個內容。

Java 虛擬機器的類檔案結構是一組以 8 位位元組為基礎的二進位制流，各資料專案嚴格按照順序緊湊地排列在 Class 檔案之中，中間沒有新增任何分隔符，這使得整個 Class 檔案中儲存的內容幾乎全都是程式需要的資料，沒有空隙存在。

java虛擬機器執行的就是位元組碼檔案。不論該位元組碼檔案來自何方，由哪種編譯器編譯，甚至是手寫位元組碼檔案，只要符合java虛擬機器的規範，那麼它就能夠執行該位元組碼檔案。

Java檔案：

public class Demo{
    public static void main(String args[]){
        System.out.println("Hello World.");
  }
}

Java位元組碼檔案：

二：Java類檔案(位元組碼)結構

Java 虛擬機器規範中定義了許多規範，其中有一部分定義了位元組碼的結構和規範。Java 虛擬機器規範定義了兩種資料型別來表示 Class 檔案格式，分別是：無符號數和表。

無符號數：屬於最基本的資料型別，以 u1、u2、u4、u8 六七分別代表 1 個位元組、2 個位元組、4 個位元組、8 個位元組的無符號數，無符號數可以用來描述數字、索引引用、數量值或者按照 UTF-8 編碼構成的字串值。

表：是由多個無符號數或者其他表作為資料項構成的複合資料型別，所有表都習慣性地以“_info”結尾，表用於描述有層次關係的複合結構的資料。

上面的表其實可以劃分為以下七個部分，這七個部分組成了一個完整的 Class 位元組碼檔案：

a.魔數與Class檔案版本

b.常量池

c.訪問標誌

d.類索引、父類索引、介面索引

e.欄位表集合

f.方法表集合

j.屬性表集合

1.魔數與Class檔案版本

Class 檔案的第 1 - 4 個位元組代表了該檔案的魔數（Magic Number）。它唯一的作用是確定這個檔案是否為一個能被虛擬機器接受的 Class 檔案，其值固定是：0xCAFEBABE（咖啡寶貝）。如果一個 Class 檔案的魔數不是 0xCAFEBABE，那麼虛擬機器將拒絕執行這個檔案。

Class 檔案的第 5 - 6 個位元組代表了 Class 檔案的次版本號（Minor Version），即編譯該 Class 檔案的 JDK 次版本號。

Class 檔案的第 7 - 8 個位元組代表了 Class 檔案的主版本號（Major Version），即編譯該 Class 檔案的 JDK 主版本號。

高版本的 JDK 能向下相容以前版本的 Class 檔案，但不能執行新版本的 Class 檔案。例如一個 Class 檔案是使用 JDK 1.5 編譯的，那麼我們可以用 JDK 1.7 虛擬機器執行它，但不能用 JDK 1.4 虛擬機器執行它。下表列出了各個版本 JDK 的十六進位制版本號資訊：

2.常量池

Class 檔案的第 9 - 10 個位元組用於表示常量池常量的個數（constant_pool_count），那麼緊跟著就有 constant_pool_count - 1 個常量。

每個常量池的常量都用一個型別為 cp_info 的表表示，該表有 14 個值，分別是：

3.訪問標誌

在常量池結束之後，緊接著的兩個位元組代表訪問標記（access_flags），這個標誌用於識別一些類或者介面層次的訪問資訊，包括：這個Class是類還是介面、是否定義為public型別、是否定義為abstract型別等。具體的標誌位以及標誌的含義見下表。

4.類索引、父類索引、介面索引

類索引：類索引用於確定這個類的全限定名，它用一個 u2 型別的資料表示。

父類索引：父類索引用於確定這個類的父類的全限定名，父類索引用一個u2型別的資料表示。

介面索引：介面索引集合就用來描述哪個類實現了哪些介面，這些被實現的介面將按 implements 語句（如果這個類本身就是一個介面，則應當是extends語句）後的介面順序從左到右排列在介面索引集合中。對於介面索引集合，入口第一項是 u2 型別的資料為介面計數器（interfaces_count），表示索引表的容量，而在介面計數器後則緊跟著所有的介面資訊。如果該類沒有實現任何介面，則該計數器值為0，後面介面的索引表不再佔用任何位元組。

5.欄位表集合

欄位表集合用於描述介面或者類中宣告的變數。這裡說的欄位包括類級變數和例項級變數，但不包括在方法內部宣告的區域性變數。

6.方法表集合

在欄位表後的 2 個位元組是一個方法計數器，表示類中總有有幾個方法。在欄位計數器後，才是具體的方法資料。方法表中的每個方法都用一個 method_info 表示，其資料結構如下：

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