你管这破玩意叫 class？

电玩女神 2022-11-12 11:55 155阅读 0赞

我是一个 .java 文件，名叫 FlashObject.java，叫我**小渣**就行。

public class FlashObject {
    
        private String name;
        private int age;
        
        public String getName() {
            return name;
        }
    
        public int add(int a, int b) {
            return a + b;
        }
    
    }

我马上就要被 JVM 虚拟机老大加载并运行了，此时**老虚**走了过来。

老虚：小渣呀，我马上就要把你载了，你先瘦身一下，别占太大地方。

小渣：好的，没问题，等我十秒钟。

public class FlashObject\{private String name;private int age;public int add(int a,int b)\{return a+b;\}

小渣：老虚，我瘦身好了，你看看。

老虚：...，你是不是有病。

小渣：怎么了，我把没用的空格和回车啥的都去掉了，瘦身了好多呢！

老虚：行吧，看你这智商，我就给你解释解释。你现在仍然是个文本文件，让你瘦身是让你定一个紧凑的数据结构来表示你这个 Java 文件里的信息，然后告诉我这个数据结构中每个字节都代表什么。

小渣：哦哦，这样啊。

老虚：对啊，这样一是方便我去加载，二是我这个虚拟机可不只是为你 Java 语言服务的，还有很多语言最终都可以转换为我虚拟机识别的，你得设计一个通用的格式。

小渣：嗯嗯，这回我明白啦！

# 1  **类信息** #

我的**类名**叫 FlashObject。

先找个地方把它存起来，放开头吧。

![16d09106c09aea92987b0c5abad545a9.png][]

这里的一个小方格是 1 个字节，也就是 8 位。一个英文字母用 ASCII 码表示为 1 个字节，所以占一个方格，之后不再解释。

严谨的我又想到，这个类应该还有其**父类**。

虽然这个 .java 文件中没写，但也有其默认父类，Object。

当然，我们得记录下全类名

java/lang/Object

记在哪里呢？就紧跟在类名后面吧。

![e99e9cf0c4b7f5d64d0d582863db878f.png][]

诶不对，我这个类名呀，父类名呀，都是变长的，这样紧挨着放，谁知道分界点在哪。

不行不行，得分别在前面加个**长度**，就用两字节表示吧。

![b8ba2ed3d7b19330d2a7d201ad2f2aab.png][]

除了父类之外，还有**接口名**呢！虽然我们这个类没写，但也得定义出来。

这个接口，和类名以及父类名稍有不同，因为可能有多个。

但这不是事儿，先占用两个字节，表示接口的数量即可，之后一个一个的接口名仍然像上面那样紧挨着排布。

![ac4fd1a14f5269d5157bb3af52435527.png][]

嗯，完美。

# 2  **常量池** #

慢慢地，我发现需要字符串名字的地方越来越多。

除了刚刚的类名、父类名、接口名，还有属性名、方法名、属性的类名、方法的入参类型名、返回值类型名，等等等等。

一方面，要是每个都这么展开写下去，那文件格式会很乱，很多结构都是变长的。

另一方面，很多字符串都是重复的，比如属性 name 的类名 String，与方法 getName 的返回值类名 String，重复写两遍，就浪费了空间。

因此，我决定，之前的方案作废，设计一个新的结构来统一存储这些字符串，我给他起名为**常量池**。

![b1366e850bc9227c0429af63fe737dde.png][]

每个字符串都有一个**索引**与之对应，这个是可以计算出来的，不需要额外的字段。

![73cbc5f1fa06c96cdf776ea9cb494d97.png][]

这样，刚刚的类、父类、接口，就都可以指向这个索引了，也因此可以将长度固定下来。

![f642f09529d536d0e1e13af9db926220.png][]

当然，现在这个常量池，仅仅存放了字符串。

不难想到，还可能有整型、浮点型的值作为常量，甚至还有可能是个引用类型，然后这个引用类型再次指向常量池中的一个索引，有点像指针的指针。

那这么多类型，必然就还需要一个记录**类型信息**的地方，看来我们得将之前的设计改改。

![0a7e78222c2d4acafdde303bae7eb056.png][]

这样，我们的常量池，就不单单可以存储简单的字符串常量了，而是可以根据不同类型，存储与其相对应的数据结构的值。

当然，我们常量池的整体结构还是不变的，只不过里面是类型丰富的结构。

![936f26dc3e182acecfbc3c2408283d37.png][]

同样，我们的整个设计，也没有因为常量池的小改动，受到影响。

![ae57d4ad89570eae9142ac726d8abdb5.png][]

OK，总结一下我们目前的整体方案。

开头存**常量池**，之后需要的常量就全往这里放，用一个索引指向它即可。

紧接着存放**类本身**的相关信息，我们存放了**当前类、父类以及接口**的信息。

看来老虚要求的瘦身工作，已经初具规模啦。

#  #

# 3  **变量** #

现在类本身的信息，已经找到合适的位置存放起来了，接下来我们存变量。

变量也可能有多个，所以结构依然仿照我们之前的思路，开头存数量，后面紧跟着各个存放变量的数据结构。

![4cb0040b74a5c39a54b91d219f508da2.png][]

至于变量用什么数据结构来存，是不是定长的，那就是我们接下来要设计的了。

我们把其中一个变量拿出来，看看它有什么？

private String name;

非常清晰，private 这部分是变量的标记，String 是变量类型，name 是变量名字。

## **先看标记部分** ##

除了 private，还有 public、protected、static、final、volatile、transient 等，有的可以放在一起，比如

public static final String name；

有的不能放在一起，比如

public private String name; //错误

我们用**位图**的方式，每一个标记用一个位来表示（比如 public 在第一个位，private 在第二个位，static 在第四个位，final 在第五个位...），这样不论如何排列组合，最终的值都是不一样的。

![64176e061fabf2b72c1b91bd3421c43b.gif][]

我们把这些标记所对应的值，都设计并记录下来。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td align="center">标记</td> 
 <td align="center">值</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td align="center">public</td> 
 <td align="center">0x0001</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td align="center">private</td> 
 <td align="center">0x0002</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td align="center">protected</td> 
 <td align="center">0x0004</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td align="center">static</td> 
 <td align="center">0x0008</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td align="center">final</td> 
 <td align="center">0x0010</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td align="center">volatile</td> 
 <td align="center">0x0040</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td align="center">transient</td> 
 <td align="center">0x0080</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

复合型的标记，就可以表现为将其相加，比如 public static，就是 0x0001 + 0x0008 = 0x0009。

而这样的赋值方式，不同排列组合后的和没有重复的，且也能根据值很方便地反推出标记。

不错不错，就这样了。

哦对了，类信息本身也有 public 呀 private 这些标记属性，刚刚记录类信息的时候忘了，先加上它，免得一会忘了！

![b4dc84aa2c6cb34a8c9998235d7af787.png][]

## **再看类型部分** ##

当前类型为 String，属于一个引用数据类型中的**类类型**。

private String name;

除此之外，还有**八个基本数据类型**，和引用类型中的**数组类型**。

为了占用更少的空间，我们将其用最少的符号来表示。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>符号表示</td> 
 <td>类型</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>B</td> 
 <td>byte</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>C</td> 
 <td>char</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>D</td> 
 <td>double</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>F</td> 
 <td>float</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>I</td> 
 <td>int</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>J</td> 
 <td>long</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>S</td> 
 <td>short</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>Z</td> 
 <td>boolean</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>LClassName ;</td> 
 <td>类</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>[</td> 
 <td>数组</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

这 里的基本数据类型，和数组类型 ，都只占用一个 char 来表示，就只占了 1 个字节。

如果是类，则占用了 L 和 ; 两个字节，再加上全类名所占的字节数。

比如这里的 String 类型，用符号表示，就是

Ljava/lang/String;

但注意，这里的符号，也都可以存放在常量池中，而我们的变量结构中的类型描述符部分，只需要一个常量池索引即可。

![95fdf77fccaed8bcb37065b9b5ffc228.png][]

ok，第二部分也搞定了。

## **再看名字部分** ##

名字部分没什么好说的，相信你直接能猜到了，直接上图。

![c9f3727f631c38bc7fd60056f37f5e8f.png][]

OK，**两字节的标记、两字节的类型描述符、两字节的变量名称**，这个就是我们一个变量的数据结构。

![4907ea4e2f30dc499ce5f6f3360f62aa.png][]

把它放到我们最终的总视图里。

![d09eca8222522c28cde68714880b8b8c.png][]

搞定！

# 4  **方法** #

方法也可能会有很多，我目前只有两个方法，我们拿 add 方法来分析。

public int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

当然更准确地说，我还有个没写出来的构造方法。

总之，可能会有很多。

不过有了设计变量的经验，方法的数据结构很快就有了雏形。

![d987e3ca66e08b0b9d8f2e2b50bf1ac8.png][]

**标记部分**，和变量标记部分的思路一样，值也差不多，我们也给他们赋上值就好了。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>标记</td> 
 <td>值</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>public</td> 
 <td>0x0001</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>private</td> 
 <td>0x0002</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>protected</td> 
 <td>0x0004</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>static</td> 
 <td>0x0008</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>final</td> 
 <td>0x0010</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>volatile</td> 
 <td>0x0040</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>transient</td> 
 <td>0x0080</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>synchronized</td> 
 <td>0x0020</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>native</td> 
 <td>0x0100</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>abstract</td> 
 <td>0x0400</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

**方法描述符** ，说的是方法的入参与返回值，比如我们的：

int add(int a, int b);

入参与返回值的类型符号表示，与上面变量类型的符号表示完全一样，只不过多了一个 void 类型。

由于有多个参数类型，所以要定一个整体的格式，而整个描述符的格式为：

( 参数1类型 参数2类型 ... ) 返回值类型

比如我们的

int add(int a, int b);

就表示为

(II)I

是不是非常精简了？同样，这也是个字符串，也可以存储在常量池里，就不再赘述。

（至于参数 a 和 b 这个名字，不需要保存起来，实际上在转换的字节码以及实际虚拟机中运行时，只需要知道局部变量表中的位置即可，叫什么名字都无所谓）

**方法名称**，我们再熟悉不过了，放常量池！

ok，前三个说完了。最后一个，就有意思了。

![529acb004f76b613e1d0b2a743540d6f.png][]

代码、异常、注解等。可以看到，有相当多的信息需要记录。

比如我写这样的方法。

@RequestMapping()
    public String function(String a) throws Exception {
        return a;
    }

那就会有代码部分、异常、注解等需要录入的信息。

但似乎除了代码部分之外，其他部分都不是每个方法都有的，如果都定义出来，岂不是浪费空间，那怎么办呢？

我们效仿常量池的做法，把这些部分都叫“**方法的属性**”，一个方法可能有多个属性，设计结构如下。

![8d816061eaf50b3fc202ddc10ec7447b.png][]

这样，方法具有哪些属性，**按需添加**进来就好，如果不需要这个属性，也不用浪费空间，完美！

回过头看我们的这个方法。

public int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

刚刚方法签名部分已经都解决了，只剩下代码

return a + b;

这个要怎样存放呢？

之前听老虚说过，JVM 识别的是一种叫**字节码**的东西，所以我要把 Java 语言写出的代码，转换为字节码。

这部分很复杂，就不展开说我的过程了，经过一番努力后，我把这一行简简单单的代码转换为了字节码。

1B 1C 60 AC

一共占四个字节。

我把这四个字节，就放在刚刚代码类型的属性中。

![0a9a2aa78cde32ba69c3452eea135124.png][]

ok，大功告成。

回过头，我们将之前的方法部分补充完整。

![68b2afa2dab813fe360eff8768172775.png][]

再将这个结构，添加到我们全局结构中。

![da3495557e37c484dcbf72c434fb4937.png][]

完美！

#  #

# 5  **class** #

我把我转换为了这样的结构，并带着这个最终的设计稿，去找了老虚。

老虚：嗯！还真不赖！

小渣：那当然，我可是研究了好久呢。

老虚：不过，我再给你改改，在开头加些东西把。

![2da913c29a46713362e28b8ed26d1214.png][]

小渣：老虚，你这加的是啥呀？

老虚：一看你就没经验。

**魔数**一般用来识别这个文件的格式，通过文件名后缀的方式不靠谱，一般有格式的文件都会有个魔数的。

后面两个用来标识一下**版本号**，不同版本可能数据结构和支持的功能不一样，这个今后会有用的！

小渣：原来如此，还是你老虚见多识广。可是你说用来识别这个文件的格式，我这个文件是啥呀？

老虚：你这个破玩意，就叫它 class 文件吧！

**FlashObject.class**

> > **后记**

根据 Java 虚拟机规范，Java Virtual Machine Specification Java SE 8 Edition，一个 class 文件的标准结构，是这样的。

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];
    }

我们的设计与它几乎相同。

只有后两项，我们没有涉及到，本身也不是重点。

常量池中的类型，有以下几种。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>Constant Type</td> 
 <td>Value</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_Class</td> 
 <td>7</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_Fieldref</td> 
 <td>9</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_Methodref</td> 
 <td>10</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_InterfaceMethodref</td> 
 <td>11</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_String</td> 
 <td>8</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_Integer</td> 
 <td>3</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_Float</td> 
 <td>4</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_Long</td> 
 <td>5</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_Double</td> 
 <td>6</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_NameAndType</td> 
 <td>12</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_Utf8</td> 
 <td>1</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_MethodHandle</td> 
 <td>15</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_MethodType</td> 
 <td>16</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>CONSTANT_InvokeDynamic</td> 
 <td>18</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

如果想了解 class 文件的全部细节，最好的办法就是**阅读官方文档**，也就是 Java 虚拟机规范的第四部分。

**Chapter 4. The class File Format**

这里的链接可以直接定位：

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html\#jvms-4.3.2

不要觉得官方文档晦涩难懂，这个部分还是非常清晰明了的，大多数博客基本上对格式的讲解都缺斤少两，而且说得也不形象，还不如直接阅读官方文档呢。

还有一个好的方式，就是直接观察 class 文件的二进制结构解析，这里推荐一个工具

**classpy**

用这个工具打开一个 class 文件，是这个样子。

![c4ed08806f565ec08ad338015eebc56a.png][]

左边解析好的树型结构，可以直接和右边的 class 文件的二进制内容相对应，非常好用。

最后，希望大家找时间用这个工具分析一个复杂的 class 文件，会很有帮助的。祝大家学会 class 文件。

完~

[16d09106c09aea92987b0c5abad545a9.png]: /images/20221022/29aafd35ca834e67981430960f9936a9.png
[e99e9cf0c4b7f5d64d0d582863db878f.png]: /images/20221022/0645c219a76c41318a5a85ed667b79c9.png
[b8ba2ed3d7b19330d2a7d201ad2f2aab.png]: /images/20221022/2c85ed3a0b7a4446882b5cf4e2a69a00.png
[ac4fd1a14f5269d5157bb3af52435527.png]: /images/20221022/55342063c60148c19d0afb4c659a5a75.png
[b1366e850bc9227c0429af63fe737dde.png]: /images/20221022/ced4921609bc469ca7f92c82622325b4.png
[73cbc5f1fa06c96cdf776ea9cb494d97.png]: /images/20221022/7f92a00932ad4d62b1e8f6ff9edce3be.png
[f642f09529d536d0e1e13af9db926220.png]: /images/20221022/3c1dc039cbe24ce58000787908e0b305.png
[0a7e78222c2d4acafdde303bae7eb056.png]: /images/20221022/e4534e84e3bc49d999b5f784f2b384b4.png
[936f26dc3e182acecfbc3c2408283d37.png]: /images/20221022/a22e9151bd1e4b9aad3f0aabdfb38b87.png
[ae57d4ad89570eae9142ac726d8abdb5.png]: /images/20221022/4d137aab4faf4303bd9b6f8c1474c53b.png
[4cb0040b74a5c39a54b91d219f508da2.png]: /images/20221022/8ddbdd9a68d44c6fbd5bccb4fd5d04df.png
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[c9f3727f631c38bc7fd60056f37f5e8f.png]: /images/20221022/1a927f9e31d843cea62dbc2fdcfe7c02.png
[4907ea4e2f30dc499ce5f6f3360f62aa.png]: /images/20221022/e3bcaf71133a4b6faa9c71d4d124cf8c.png
[d09eca8222522c28cde68714880b8b8c.png]: /images/20221022/178d3cc669934f0b88613af0e64e1ebd.png
[d987e3ca66e08b0b9d8f2e2b50bf1ac8.png]: /images/20221022/7a650678ef59478da3debefe295e3437.png
[529acb004f76b613e1d0b2a743540d6f.png]: /images/20221022/ccc88dcccf1a42a29b640c01126cbcc8.png
[8d816061eaf50b3fc202ddc10ec7447b.png]: /images/20221022/ed794488c94d444087c514dd91547c2e.png
[0a9a2aa78cde32ba69c3452eea135124.png]: /images/20221022/f6331337fc25446486e640449aa73632.png
[68b2afa2dab813fe360eff8768172775.png]: /images/20221022/c5e937c8a20b469d9e7383c410783153.png
[da3495557e37c484dcbf72c434fb4937.png]: /images/20221022/dff2c774f220481e9325911ee679a7ea.png
[2da913c29a46713362e28b8ed26d1214.png]: /images/20221022/24c32d8148a64a1da58911d93f70c78b.png
[c4ed08806f565ec08ad338015eebc56a.png]: /images/20221022/5487a1bc89844eaa9f739b62189c33ec.png