00 前言
JAVA程序具有 " Write Once , Run Anywhere ." 的跨平臺特性。實現這樣的目的，Java的方案是：半編譯 + 半解釋，即 .Class + JVM 。
1、源程序內容會被編譯為.Class文件，.Class文件具有嚴格規定如何從中提取信息，可以理解為 “中間碼”，約定使用者如何理解文件內容
2、理解了程序內容，各個平臺根據自身特色不同，實現各自的JVM用來解釋（翻譯）.Class文件，變成真正的本地可執行指令。
如此實現了Java跨平臺的特性。因此，跨平臺的基礎為.Class，實現為JVM。
本文的目的為：讀懂.Class，悉知編寫的程序代碼在JVM眼中是什么樣子。而在理解了.Class之后，對于理解JVM、理解字節碼插樁等有進一步幫助。
01 基礎知識
字節碼
字節碼是一種包含執行程序，由數據對組成的二進制文件，是一種中間碼。一般來說，一字節占用8位，即包含八位的二進制。
文章所指的.Class文件為字節碼文件，每字節用16進制表示，數值范圍 00 ~ FF (0 ~ 255).
無符號數基本類型
無符號數可以用來描述數字、索引引用、數值量或按照 UTF-8 編碼構成字符串。u1、u2、u4、u8分別代表 1個字節、2個字節、4個字節和8個字節的無符號數。
字面量
字面量是一種固定值的表示法，本身沒有含義，需要場景來為它賦予含義，如何理解？比如 007 沒有含義，但是用來表示詹姆斯·邦德，你就知道007代表一個很厲害的特工。在程序中，int x = 10、String s = "10" 讓字面量 10 具有了不同的意義。
全限定名
將一個類的全限定名是將類全名的.全部替換為/，如java.lang.String替換為java/lang/String
描述符
描述符用來描述字段的數據類型、方法的參數類表和返回值，每種符號對應不同數據類型
02 Class文件
Java文件包含了一個類的所有信息，以下是一個Java類：
import java.io.Serializable;
public class TestClass implements Serializable{
private int m = 123;
private static int x = 10;
private static final int y = 20;
public int increace(){
return m+1;
}
public void m() throws Exception{
// 具體邏輯不寫
}
public static String hello(){
return "hello word";
}
}
此Java文件中，所包含的信息有：
類明為TestClass并可被外部訪問，實現了Serializable接口
擁有類變量 x和y，擁有成員變量 m
擁有可被外部訪問的類函數 hello()，擁有可被外部訪問的成員函數increace() 和 m()
note: 如無特殊說明，文章所說.Class文件均由此Java文件編譯得來這些信息在被編譯后將在.Class文件中進行表達。通過命令
Javac fileName.java
可將Java文件編譯成對應的.Class文件。.Class文件為字節碼文件，可借助對應編輯器閱讀。
本文使用的編輯器為 “010” ，windows 和 mac 都有， 自行下載。
Class 字節碼實例文件
.Class文件使用字節碼表達信息，各數據間緊湊，不包含任何分隔符，因此整個.Class文件中存儲的內容幾乎是全部程序運行時的必要數據。如何解析字節碼數據，就需要制定規則來解讀，嚴格遵守。
.Class 文件風格采用類似于C語言結構的偽結構來存儲數據。可以將.Class文件看成多張表的集合，通過表索引，能找到對應的數據。可以理解為，數據存在的相對位置，決定了它被賦予的涵義。
.Class文件格式如下表
有些數據信息是定長的，有些視具體情況而定，但都會有相應的約束告知具體長度。各信息對應已在.Class實例文件圖標出，剩下的是逐層去解析類信息。
03 常量池
常量池中主要存放兩大類：字面量和符號引用。符號引用包括：
類和接口的全限定名
字段的名稱和描述符
方法的名稱和描述符
與C和C++不同，Java代碼編譯后沒有“連接”的步驟，在JVM加載Class文件的時候進行動態連接。.Class文件不會保存各方法、字段的最終內存布局信息，因為不能經過運行期轉換無法得到真正的內存入庫地址，無法被JVM使用。在JVM運行時，從常量池中拿到對應的符號引用，解析、翻譯到具體的內存地址中再進行使用，這些信息也就存于JVM的方法區中。
常量池所占用長度不定，需要 0x0008 ~ 0x0009 提供常量數量統計，再根據常量池里的具體常量類型推算出具體總占用的長度。
但這比較繁瑣，每一種常量類型對應一份表，需要根據表的不同查閱具體的表結構來獲取信息。常量類型的第一位 u1 表明來對應常量的表結構，對應信息如下
除必要外，本文不打算列出各個對應的表結構，具體結構可參考
Class類文件結構之常量表
https://blog.csdn.net/u014296316/article/details/83020087
這里拋磚引玉。
常量池第一個常量
第一個常量類型由 0x000A 處標出，值為0A，十進制為10，查表，類型為CONSTANT_Methodref_info（不得不說現在的編輯器很強大，沒有對應功能的話就只能慢慢查了）。
表中數據類型為u1、u2、u2 共占 5 個字節（具體表信息和內容含義后文再續）。如果是CONSTANT_Utf8_info類型，還會有 length 屬性表明字面量占用字節長度，需要加上此長度。則第二個常量類型由 0x000F 處標出，值為0F，十進制為09，表類型為CONSTANT_Fieldref_info。以此類推...
這樣一步一步查找對應常量也是比較麻煩的，好在Java內置類工具——javap可對.Class文件字節碼進行分析，通過命令
javap -verbose fileName
能得到下圖信息 ：（僅展示了常量池部分）
javap分析常量池
常量池數量值在 0x0008 ~ 0x0009 為 23，轉換十進制為35，表示常量池索引范圍為 1～35。觀察上兩張圖，前者索引從0開始，后者索引從1開始。
若摸不著門路，常量池的分析著實讓人頭大，個人看來，常量池里的信息是在 “搭積木” 。
本例子中，常量池涉及到的常量類型為：
CONSTANT_Methodref_info
CONSTANT_Fieldref_info
CONSTANT_String_info
CONSTANT_Class_info
CONSTANT_Interger
CONSTANT_NameAndType
CONSTANT_Utf8
暫時拋開具體表結構，以上表類型結構關系如示：
常量池常量類型結構
上面僅畫出了當前例子涉及到的常量類型的組成關系，任意類型的常量，不斷拆分，最后都會指向基本類型的常量CONSTANT_Utf8，或自身就為基本類型如CONSTANT_Interger。
可以理解為，基本常量類型CONSTANT_Utf8本身沒有過多意義，其它的類型為場景，為CONSTANT_Utf8賦予了意義。
CONSTANT_Utf8_info可以算是最基本的類型，結構為
// 偽代碼
{
// 常量類型
u1 tag;
// 字節長度
u2 length;
// UTF-8縮略編碼
bytes[length];
}
在遇到CONSTANT_Utf8_info類型的常量時，將bytes逐個按照UTF-8縮略編碼即可得到對應的字面量
04 類級信息
定義的類為
public class TestClass implements Serializable
其中包含的信息為：
類本身：TestClass
訪問標志：public
實現接口Serializable
父類為：Object
從.Class文件格式表中，在常量池后緊接著的數據，就是類級數據
從 0x0143 ～ 0x014C :
access_flags(u2): 十六進制值為 0x0021
this_class(u2): 十進制值為5，指向常量池第5個常量， 類型為CONSTANT_Class_info，類為 TestClass
super_class(u2): 十進制值為5，指向第6個常量，類型為CONSTANT_Class_info，類為 java/lang/Object
interface_count(u2): 實現接口數量 1 個
interface[0] ：指向常量池第7個常量，類型為CONSTANT_Class_info，接口名誒 java/io/Serializable
CONSTANT_Class_info 常量表結構如下// 偽代碼
{
// 常量類型
u1 tag ;
// 指向常量池偏移量為name_index，類型為CONSTANT_Utf8_info類型的索引，
//代表類或接口的權限定名
u2 name_index;
}
與之前所說常量池里在搭積木的說法一致，后面涉及到的常量池里的類型依然如此。
訪問標志使用標志位來表示，各個標志含義如表
當前情況為 0x0001 | 0x0020 = 0x0021
05 attribute（屬性表）
屬性表比較特殊，.Class文件、字段表、方法表等都可以攜帶自己的屬性表集合，用來描述專有的場景，也因此將此表做前置說明。
屬性表的特點為：
規則較寬松，不要求嚴格的順序、長度、內容
只要不與已有屬性表重復，任何編譯器都可以向屬性表中寫入自定義的屬性信息，JVM會忽略掉不認識的屬性。
屬性表結構為// 偽代碼
{
// 指向常量池類型為CONSTANT_Utf8_info的常量，代表屬性名
u2 attribute_name_index ;
// 屬性表info占用長度
u4 attribute_length;
// 這需要具體實現的結構，長度為attribute_length
Info info;
}
因此一個屬性表的長度為 u2 + u4 + attribute_length。Java與定義來很多屬性表，文章檢出涉及到的做后續說明，其它在實際需要時自行查閱
字段表與方法表攜帶的屬性表暫未涉及，當前節點涉及到類型為SourceFile的.Class攜帶的屬性表。
class攜帶屬性表示例
范圍為 0x025A ~ 0x0262 共占 u2 + u4 + attibute_length = 8 字節，SourceFile屬性結構如下
偽代碼
{
// 指向常量池類型為CONSTANT_Utf8_info的常量，代表屬性名
u2 attribute_name_index ;
// 屬性表內容占用長度
u4 attribute_length;
// 指向常量池類型為CONSTANT_Utf8_info的常量，代表源文件名
u2 sourcefile_index;
}
因此通過此SourceFile屬性表，得知源文件名為TestClass.java
06 字段表
查閱.Class文件格式表，接口表之后，就是字段數量已經字段數量表
字節碼字段表
從 0x014D ~ 0x016E ， 其中 0x014D ~ 0x014E 表示字段數， 值為 0x0003，表示字段數為3，隨便就是緊挨著的字段表。字段表結構如下
// 偽代碼
{
// 訪問標志
u2 access_flags
// 指向常量池類型為CONSTANT_Utf8_info的常量，表示字段名
u2 name_index
// 指向常量池類型為CONSTANT_Utf8_info的常量，用描述符表示
// 字段類型
u2 descriptor_index
// 屬性表數量
attributes_count
// 屬性表內容
attribuite_info
}
字段表和.Class一樣，能攜帶自己的屬性表處理特殊場景，attribuite_info是非必須的。當attributes_count的值為0時， 說明無需attribuite_info。字段也擁有訪問標志來對字段做進一步約束。字段名則用name_index指向常量池的常量來表示，字段類型則用描述符來表示， 比如 Int 表示為 I (忘了往前看基礎知識)。
當前例子定義的字段如下：
private int m = 123;
private static int x = 10;
private static final int y = 20;
定義了成員變量 m 和 類變量 x ，y。舉例 y 來看
位置為 0x015F ~ 0x016E，其中：
訪問標志：0x001A
字段名索引：0x000B，十進制值為11，指向常量池第11個常量，為y
描述符索引為：0x0009，指向常量池第9個常量，為I
屬性表數為：0x0001，數量為1
屬性表總占用長度為：u2 + u4 + 2字節 共10位，即 0x0167 ~ 0x016E
字段訪問標志位含義如表：
當前為 private static final ，即 0x0001 | 0x0008 | 0x0010 ， 為 0x001A。
通過訪問標志、字段索引、描述符信息，就可以拿到
-> private static final int y 這一信息。
對于使用 final和static修飾的并且時基本數據類型的變量，會使用屬性表ConstantVulue來進行賦值。屬性表 ConstantVulue 除了約定的基本數據外，還有類型為 u2 的ConstantValue_index 索引來表示指向常量池中的常量用來初始化數據。值位于 0x016D ~ 0x016E，為 0x000D，指向的常量表索引13處的值為整型的20；
而實例中的變量m，類變量x則在成員初始函數、類初始函數中進行賦值，下文做說明。
07 方法表
字段表之后，緊挨著的是方法數量與方法表集合
范圍為 0x016F ~ 0x0258，方法數值為 0x0005 共 5 個方法。除了示例自定義的 increace() ，m() 和 hello() 外，還有實例構造方法<init>()v，類構造器<clinit>()方法。
方法表結構為:
偽代碼
{
// 訪問標志
u2 access_flags;
// 方法名索引，指向常量池類型為CONSTANT_Utf8_info的常量
u2 name_index;
// 方法返回值描述符索引，指向常量池類型為CONSTANT_Utf8_info的常量
u2 descriptor_index；
// 屬性表數量
u2 attributes_count;
// 屬性表內容
Info info;
}
方法也可以攜帶屬性表來描述專有場景。通過上述結構以及具體字節碼，可以推算出方法所包含的內容。其中，訪問標志含義如表：
取構造實例方法方法<init>()做示例來看：
信息為:
access_flags: 0x0001 ，為public
name_index: 0x000E，為14，對應常量池得到 <init>
descriptor_index: 0x000F，為15，對應常量池得到 ()V
attributes_count: 0x0001，為1，屬性表數量為1
可以根據信息反推得到函數信息，實例化函數被表達為 public <init>()V，依次為訪問標志位、函數名、返回值。
一個函數方法，更重要的如何表述它所提供的功能。本質上來說，函數體里所有的代碼段都是在進行運算操作，因此，只要將函數體里的代碼段轉換為字節碼指令即可，函數執行時根據執行即可，再次之上再幾率一下關鍵信息，就能得出函數執行、棧深度、局部變量數、字節碼占用文件大小。
在attributes_count之后，從 0x0179 ～ 0x01A5 是屬性表包含的內容。根據之前所說的屬性表約定的格式 0x0179 ~ 0x0180 位置值為 0x0010，十進制為16，查找啊常量池知屬性表為Code類型。Code類型屬性表結構如下：
// 偽代碼
{
// 屬性表名稱索引，指向常量表類型為CONSTANT_Utf8_info的常量
u2 attribute_name_index;
// 屬性表長度
u4 attribute_length;
// 棧深
u2 max_stack;
// 局部變量數
u2 max_locals;
// 字節碼指令長度
u4 code_length;
// 字節碼指令
u1 code code_length;
// 異常表數量
u2 exception_table_length;
// 異常表
exception_info exception_table;
// 屬性表數量
u2 attributes_count;
// 屬性表
attribute_info attributes;
}
獲取方法信息不僅能直接通過閱讀字節碼文件，通過javap -verbose className也可以拿到，一起貼了
紅圈為字節碼指令集，黃圈為每一條字節碼指令，綠圈為Code屬性表的基本信息，藍圈為javap工具解析出的實例函數信息。
首先，最大棧深為2，在函數執行的任意時刻都不會超過這個操作數棧深度的最大值；然后局部變量數為1，表示局部變量表所需的存儲空間，單位為Slot，此單位是JVM為局部變量分配內存所使用的最小單位。藍圈里還有args_sige表示方法接受的參數數，這里為1，也就是 this。最后就是函數代碼塊里轉成的字節碼指令里。
字節碼指令不在文章的討論范圍內，不妨簡單了解。
字節碼指令代表著某種特定操作，由一個字節長度代表其操作含義，后面可以跟隨0到多個所需操作數。
本例子中的初始化函數被翻譯成了：
2A B7 00 01 2A 10 7B B5 00 02 B1
也就是上圖藍圈處的:
{
// 將 this 入棧
0: aload_0
// 喚醒父類實例化函數
1: invokespecial #1
4: aload_0
// 將 123 入棧
5: bitpush 123
// 訪問字段 m，將123存入
7: putfield #2
// 方法返回
10: return
}
這里只說明 putfield #2，對應的字節碼為 B5 00 02，其中 B5 代表操作執行 00 02 為操作所需參數，值為 0x0002，表示指向常量池類型為 CONSTANT_Fieldref_info 的常量。CONSTANT_Fieldref_info 結構為
// 偽代碼
CONSTANT_Fieldref_info
{
u1 tag;
// 指向常量池類型為CONSTANT_ClassInfo_info的常量
// 代表字段所屬類
u2 class_index;
// 指向常量池類型為CONSTANT_NameAndType_info的常量
// 代表字段名和類型
u2 name_and_type_index;
}
CONSTANT_ClassInfo_info
{
u1 tag;
// 指向常量池尾CONSTANT_Utf8_info的常量
// 代表類名
u2 name_index;
}
CONSTANT_NameAndType_info
{
u1 tag;
// 指向常量池尾CONSTANT_Utf8_info的常量
// 代表 名稱
u2 name_index;
// 指向常量池尾CONSTANT_Utf8_info的常量
// 代表 所屬類型
u2 descriptor_index;
}
當前為指向第二個常量，對照信息：
m初始化
能知道字節碼操作 B5 00 02 是將棧中的 123 給 TestClass.m 進行賦值 ，也就是例子中定義的 private int m = 123 的賦值操作。
而 x 的賦值則在類構造器<cinit>中進行，inicrea()和m()函數也可以用相同的方式進行分析。不再陳述，點到為止。
08 總結
至此，了解.Class文件的如何，通過.Class文件格式表可以解析出文件內容的基本信息。.Class文件可以看成多張表的集合，根據表制定的規則，順藤摸瓜，自然能找出對應信息。
.Class文件在如何表達信息上不難理解，難的是有耐心去縷清這些瑣碎的索引關系，尤其常量池和屬性表部分。屬性表部分則提供了足夠的發揮空間，根據場景提供更多內容。
文章僅了解了解析.Class文件的基本規則，更進一步的解析規則感興趣或需要時再了解即可，方法不變。
參考
《深入理解Java虛擬機》 —— 第6章
1、深入理解JVM字節碼執行引擎https://blog.csdn.net/suifeng629/article/details/823497842、java中class文件的意義是什么？https://blog.csdn.net/dangbai01_/article/details/800973403、java語言為什么可以跨平臺https://blog.csdn.net/banjing_1993/article/details/82349013
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