Class文件解读

摘要

您好！ 本篇旨在借助Hello World小程序讲解class文件结构，希望给您在您理解class结构的路上推波助澜。如有不足，请不吝赐教。

环境

Java：JDK8
JVM Doc：Java SE 8
class查看器：winhex

实践

源代码

喜闻乐见Hello World，源码如下：

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

对应class文件

javac编译HelloWorld.java生成HelloWorld.class。其过程就不废话

class文件查看

1、用上面列出的工具winhex打开HelloWorld.class，如下：

说明，图片是以1字节为基本单位的十六进制表示的class内容，class实际还是二进制存储的，只不过为了容易查看，将二进制转为十六进制而已。

2、使用如下javap命令查看HelloClass.class结构:

显示内容如下：


此为虚拟机解读出来的结果。我们要做的就是模拟虚拟机解读过程。

class整体结构

参照官方虚拟机规范文档可知，class文件伪结构如下：

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]; }

不一一说明，直接看下图。再有不明白，就看官方虚拟机规范文档.

图片说明：
方格中有文字的都是所占字节长度不确定，无文字的都是占1字节(魔数也在其列，方格中的只是作为固定值展示而已)。

class解读征途(人工)

记住一点，class文件是一串严格有序、无分隔符、无对齐符的二进制流。

1、魔数

长度：4字节
值：0xCAFEBABE
对应位置：

说明：固定值，为了表示此文件为一个class文件。

2、主版本号

长度：2字节
值：0x0000
对应位置：

对应javap展示结果：

3、副版本号

长度：2字节
值：0x0034，对应十进制52
对应位置：

说明：与上面次版本号组合标志class文件的版本。如主版本号为M，次版本号为m，则class文件版本为 M.m。
对应javap展示结果：

4、常量池计数

长度：2字节
值：0x001D
对应位置：

说明：十六进制换算成十进制为29，对应数组索引为，0 ~ 28，但索引0位置是虚拟机预留的，不可使用。故索引范围实际为1 ~ 28，表示容量池中仅有28个常量元素。

5、常量信息数组

常量是一个包含多个无符号数和项的复合数据结构。常量的通用伪结构模板如下：

cp_info { u1 tag; u1 info[]; }

因结构中未指定info[]长度，所以不能直接确定一个常量的具体长度。唯一可确定的是常量都是以一个字节的tag常量类型开始，所以只能先确定常量类型，再确定具体的伪结构。

5.1、常量1

5.1.1、常量类型

长度：1字节
值：0x0A
对应位置：

说明：十六进制转为十进制，对应值为10；参照常量类型表

可知，此常量类型为CONSTANT_Methodref,对应的实际伪结构如下：

CONSTANT_Methodref_info { u1 tag; u2 class_index; u2 name_and_type_index; }

所以常量1对应数据位置：

三个红色小框分别对应伪结构的三项：tag、class_index、name_and_type_index。

项目	十六进制值	十进制值	解析值
tag	0x0A	10	CONSTANT_Methodref
class_index	0x0006	6
name_and_type_index	0x000F	15
对应javap结果：

5.2、常量28

因篇幅问题，省略其它常量的分析过程，直接最后一个常量。

说明：由于常量类型0x01，查常量类型表可知该常量类型为：CONSTANT_Utf8，用来表示常量字符串值。而其对应伪结构如下：

CONSTANT_Utf8_info { u1 tag; u2 length; u1 bytes[length]; }

关于tag上面已经说过；length，占2字节，对应下面字节数组包含的元素数量。u1 bytes[length]，表示字节数组，也即，下面是连续length个各占一字节的无符号数，最终应该是个字符串。

项目	十六进制值	十进制值	解析值
tag	0x01	1	CONSTANT_Utf8
length	0x0006	15
bytes[length]	0x28、0x4C、0x6A、0x61、0x76、0x61、0x2F、0x6C、0x61、0x6E、0x67、0x2F、0x53、0x74、0x72、0x69、0x6E、0x67、0x3B、0x29、0x56	(Ljava/lang/String;)V
对应位置：
说明：关于字节数组bytes[]转字符串，可以查询ASCII对照表，可以自己试一试，这里不累赘。

到此，常量池中的内容分析结束，让我们查看一下常量池全内容：

6、访问标志

长度：2字节
值：0x0021
对应位置：

说明：


0x0021转为二进制为：

对照上图可知，分别对应ACC_SUPER、ACC_PUBLIC
对应javap展示结果：

7、类索引

长度：2字节
值：0x0005
对应位置：

说明：此值为常量池索引值，此索引对应的常量的类型必须为CONSTANT_Class
对应javap展示结果：

8、父类索引

长度：2字节
值：0x0006
对应位置：

对应javap展示结果：

说明：此值为常量池索引值，非0索引对应的常量的类型必须为CONSTANT_Class，索引0则表示父类为Object。源码中HelloWorld并没有显式继承父类，这里确出现父类java.lang.Object。正好应证了java.lang.Object是所有类(除去Object)的父类。

9、直接接口计数器

长度：2字节
值：0x0000
对应位置：

说明：十进制数为0，表示没有显式实现接口。官方对此项的说明为：
The value of the interfaces_count item gives the number of direct superinterfaces of this class or interface type.
我理解为：该类或接口类型显式实现或继承的接口数量。

10、接口信息表

因为接口计数器指定值为0，索引接口表为空

11、字段计数器

长度：2字节
值：0x0000
对应位置：

说明：十进制为0，表示没有字段

12、字段信息表

因字段计数器指定值为0，此部分为空

13、方法计数器

长度：2字节
值：0x0002
对应位置：

说明：十进制值为2，有2个方法。

14、方法信息表

方法的伪结构如下：

method_info { u2 access_flags; u2 name_index; u2 descriptor_index; u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count]; }

14.1、方法1

14.1.1、访问标志(access_flags)

长度：2字节
值：0x0001
对应位置：

说明：指定十进制值为1，查方法访问标志表

可知，对应ACC_PUBLIC
对应javap展示结果：

14.1.2、方法名索引值(name_index)

长度：2
值：0x0007
对应位置：

说明：对应常量池索引值7所存的常量，该常量类型必须为CONSTANT_Utf8
对应javap展示结果：

14.1.3、描述索引(descriptor_index)

长度：2字节
值：0x0008
对应位置：

说明：对应常量池索引值8所存的常量，该常量类型必须为CONSTANT_Utf8
对应javap展示结果：

14.1.4、其他属性的数量(attributes_count)

长度：2字节
值：0x0001
对应位置：

说明：此值表示该方法还有一个属性说明

14.1.5、其他属性信息表

其它属性的伪结构如下：

attribute_info { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u1 info [attribute_length]; }

14.1.5.1、其它属性信息1

14.1.5.1.1、属性名索引值

长度：2字节
值：0x0009
对应位置：

说明：对应常量池索引9对应的常量，该常量类型必须为CONSTANT_Utf8
对应javap展示结果：

14.1.5.1.2、属性长度

长度：4字节
值：0x0000001D
对应位置:

14.1.5.1.3、 属性表

根据上面属性长度所指示的值为29，表示接下来29个连续的各占1字节的均为属性信息。
长度：29字节
值：0x00、0x01、0x00、0x01、0x00、0x00、0x00、0x05、0x2A、0xB7、0x00、0x01、0xB1、0x00、0x00、0x00、0x01、0x00、0x0A、0x00、0x00、0x00、0x06、0x00、0x01、0x00、0x00、0x00、0x01
对应位置：

说明：根据属性名code，查询官网文档可知，该code实际伪结构如下：

Code_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 max_stack; u2 max_locals; u4 code_length; u1 code[code_length]; u2 exception_table_length; { u2 start_pc; u2 end_pc; u2 handler_pc; u2 catch_type; } exception_table[exception_table_length]; u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count]; }

则此部分内容应该对应伪结构中从u2 max_stack开始的所有项。具体我会在对第二个方法解读时候详解。

14.2、方法2

14.2.1、访问标志(access_flags)

长度：2字节
值：0x0009
对应位置：

说明：指定十进制值为9，查方法访问标志表

可知，对应ACC_PUBLIC、ACC_STATIC
对应javap展示结果：

14.2.2、方法名索引值(name_index)

长度：2
值：0x0007
对应位置：
说明：对应常量池索引值11所存的常量，该常量类型必须为CONSTANT_Utf8
对应javap展示结果：

14.2.3、描述索引(descriptor_index)

长度：2字节
值：0x0008
对应位置：

说明：对应常量池索引值12所存的常量，该常量类型必须为CONSTANT_Utf8
对应javap展示结果：

14.2.4、其他属性的数量(attributes_count)

长度：2字节
值：0x0001
对应位置：

说明：此值表示该方法还有一个属性说明

14.2.5、其他属性信息表

其它属性的通用伪结构如下：

attribute_info { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u1 info [attribute_length]; }

14.2.5.1、其它属性信息1

14.2.5.1.1、属性名索引值

长度：2字节
值：0x0009
对应位置：

说明：对应常量池索引9对应的常量，该常量类型必须为CONSTANT_Utf8
对应javap展示结果：

则该属性实际伪结构如下：

Code_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 max_stack; u2 max_locals; u4 code_length; u1 code[code_length]; u2 exception_table_length; { u2 start_pc; u2 end_pc; u2 handler_pc; u2 catch_type; } exception_table[exception_table_length]; u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count]; }

与方法1一致，这里就直接按实际伪结构一一解读。

14.2.5.1.2、属性长度

长度：4字节
值：0x00000025
对应位置:

14.2.5.1.3、 操作数堆栈的最大深度

长度：2字节
值：0x0002
对应位置：

对应javap展示结果：

14.2.5.1.4、局部变量的数量

长度：2字节
值：0x0001
对应位置：

说明：包括用于在调用该方法时将参数传递给该方法的局部变量。对于long或double类型值的最大局部变量索引是 max_locals - 2。任何其他类型的值的最大局部变量索引为max_locals - 1。
对应javap展示结果：

14.2.5.1.5、指令数组长度

长度：4字节
值：0x00000009
对应位置：

14.2.5.1.6、指令信息表

一个字节代表一条指令，可参照官方指令说明

14.2.5.1.6.1、指令信息1

长度：1字节
值：0xB2
对应位置：

查询官方指令对照表可知，表示指令 getstatic

对应javap展示结果：

余下指令查询结果如下：

14.2.5.1.7、异常表长度

长度：2字节
值：0x0000
对应位置：

14.2.5.1.7、异常表

由上面属性可知为空，此项无

14.2.5.1.8、Code的属性数量

长度：2字节
值：0x0001
对应位置：

14.2.5.1.9、Code的属性信息

通用为伪结构如下：

attribute_info { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u1 info[attribute_length]; }

14.2.5.1.9.1、属性1

14.2.5.1.9.1.1、属性名索引

长度：2字节
值：0x000A
对应位置：

对应javap展示结果：

查询官网可知，实际对应伪结构为：

LineNumberTable_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 line_number_table_length; { u2 start_pc; u2 line_number; } line_number_table[line_number_table_length]; }

14.2.5.1.9.1.2、属性长度

长度：4字节
值：0x0000000A
对应位置：

14.2.5.1.9.1.3、行数表长度

长度：2字节
值：0x0002
对应位置：

14.2.5.1.9.1.3、行数表

之前伪结构中已经给出为：

{ u2 start_pc; u2 line_number; }

14.2.5.1.9.1.3.1、行数据1

项目	开始位置	行号
对应值	0x0000	0x0003
十进制	0	3
对应位置：
对应javap展示结果：

14.2.5.1.9.1.3.2、行数据2

项目	开始位置	行号
对应值	0x0008	0x0004
十进制	8	4
对应位置：

对应java展示结果位置：

15、属性计数器

长度：2字节
值：0x0001
对应位置：

16、属性信息表

伪结构如下：

attribute_info { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u1 info[attribute_length]; }

16.1、属性信息1

16.1.1、属性名索引

长度：2字节
值：0x000D
对应位置：

对应javap展示结果：

则该属性实际的伪结构为：

SourceFile_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 sourcefile_index; }

16.1.2、属性长度

长度：4字节
值：0x00000002
对应位置:

16.1.3、源文件索引

长度：2字节
值：0x000E
对应位置：

对应javap展示结果：