00 前言
JAVA程序具有 " Write Once , Run Anywhere ." 的跨平臺(tái)特性。實(shí)現(xiàn)這樣的目的，Java的方案是：半編譯 + 半解釋，即 .Class + JVM 。
1、源程序內(nèi)容會(huì)被編譯為.Class文件，.Class文件具有嚴(yán)格規(guī)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(nèi)容
2、理解了程序內(nèi)容，各個(gè)平臺(tái)根據(jù)自身特色不同，實(shí)現(xiàn)各自的JVM用來解釋（翻譯）.Class文件，變成真正的本地可執(zhí)行指令。
如此實(shí)現(xiàn)了Java跨平臺(tái)的特性。因此，跨平臺(tái)的基礎(chǔ)為.Class，實(shí)現(xiàn)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(jié)碼插樁等有進(jìn)一步幫助。
01 基礎(chǔ)知識(shí)
字節(jié)碼
字節(jié)碼是一種包含執(zhí)行程序，由數(shù)據(jù)對組成的二進(jìn)制文件，是一種中間碼。一般來說，一字節(jié)占用8位，即包含八位的二進(jìn)制。
文章所指的.Class文件為字節(jié)碼文件，每字節(jié)用16進(jìn)制表示，數(shù)值范圍 00 ~ FF (0 ~ 255).
無符號(hào)數(shù)基本類型
無符號(hào)數(shù)可以用來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)值量或按照 UTF-8 編碼構(gòu)成字符串。u1、u2、u4、u8分別代表 1個(gè)字節(jié)、2個(gè)字節(jié)、4個(gè)字節(jié)和8個(gè)字節(jié)的無符號(hào)數(shù)。
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(gè)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(gè)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(shù)據(jù)類型、方法的參數(shù)類表和返回值，每種符號(hào)對應(yīng)不同數(shù)據(jù)類型
02 Class文件
Java文件包含了一個(gè)類的所有信息，以下是一個(gè)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(shí)現(xiàn)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(shù) hello()，擁有可被外部訪問的成員函數(shù)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(jìn)行表達(dá)。通過命令
Javac fileName.java
可將Java文件編譯成對應(yīng)的.Class文件。.Class文件為字節(jié)碼文件，可借助對應(yīng)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(jié)碼實(shí)例文件
.Class文件使用字節(jié)碼表達(dá)信息，各數(shù)據(jù)間緊湊，不包含任何分隔符，因此整個(gè).Class文件中存儲(chǔ)的內(nèi)容幾乎是全部程序運(yùn)行時(shí)的必要數(shù)據(jù)。如何解析字節(jié)碼數(shù)據(jù)，就需要制定規(guī)則來解讀，嚴(yán)格遵守。
.Class 文件風(fēng)格采用類似于C語言結(jié)構(gòu)的偽結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。可以將.Class文件看成多張表的集合，通過表索引，能找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)。可以理解為，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息是定長的，有些視具體情況而定，但都會(huì)有相應(yīng)的約束告知具體長度。各信息對應(yīng)已在.Class實(shí)例文件圖標(biāo)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(hào)引用。符號(hào)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(shí)候進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接。.Class文件不會(huì)保存各方法、字段的最終內(nèi)存布局信息，因?yàn)椴荒芙?jīng)過運(yùn)行期轉(zhuǎn)換無法得到真正的內(nèi)存入庫地址，無法被JVM使用。在JVM運(yùn)行時(shí)，從常量池中拿到對應(yīng)的符號(hào)引用，解析、翻譯到具體的內(nèi)存地址中再進(jìn)行使用，這些信息也就存于JVM的方法區(qū)中。
常量池所占用長度不定，需要 0x0008 ~ 0x0009 提供常量數(shù)量統(tǒng)計(jì)，再根據(jù)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(yīng)一份表，需要根據(jù)表的不同查閱具體的表結(jié)構(gòu)來獲取信息。常量類型的第一位 u1 表明來對應(yīng)常量的表結(jié)構(gòu)，對應(yīng)信息如下
除必要外，本文不打算列出各個(gè)對應(yīng)的表結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)可參考
Class類文件結(jié)構(gòu)之常量表
https://blog.csdn.net/u014296316/article/details/83020087
這里拋磚引玉。
常量池第一個(gè)常量
第一個(gè)常量類型由 0x000A 處標(biāo)出，值為0A，十進(jìn)制為10，查表，類型為CONSTANT_Methodref_info（不得不說現(xiàn)在的編輯器很強(qiáng)大，沒有對應(yīng)功能的話就只能慢慢查了）。
表中數(shù)據(jù)類型為u1、u2、u2 共占 5 個(gè)字節(jié)（具體表信息和內(nèi)容含義后文再續(xù)）。如果是CONSTANT_Utf8_info類型，還會(huì)有 length 屬性表明字面量占用字節(jié)長度，需要加上此長度。則第二個(gè)常量類型由 0x000F 處標(biāo)出，值為0F，十進(jìn)制為09，表類型為CONSTANT_Fieldref_info。以此類推...
這樣一步一步查找對應(yīng)常量也是比較麻煩的，好在Java內(nèi)置類工具——javap可對.Class文件字節(jié)碼進(jìn)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?cái)?shù)量值在 0x0008 ~ 0x0009 為 23，轉(zhuǎn)換十進(jìn)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(shí)讓人頭大，個(gè)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(shí)拋開具體表結(jié)構(gòu)，以上表類型結(jié)構(gòu)關(guān)系如示：
常量池常量類型結(jié)構(gòu)
上面僅畫出了當(dāng)前例子涉及到的常量類型的組成關(guān)系，任意類型的常量，不斷拆分，最后都會(huì)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(jié)構(gòu)為
// 偽代碼
{
// 常量類型
u1 tag;
// 字節(jié)長度
u2 length;
// UTF-8縮略編碼
bytes[length];
}
在遇到CONSTANT_Utf8_info類型的常量時(shí)，將bytes逐個(gè)按照UTF-8縮略編碼即可得到對應(yīng)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(biāo)志：public
實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)，就是類級數(shù)據(jù)
從 0x0143 ～ 0x014C :
access_flags(u2): 十六進(jìn)制值為 0x0021
this_class(u2): 十進(jìn)制值為5，指向常量池第5個(gè)常量， 類型為CONSTANT_Class_info，類為 TestClass
super_class(u2): 十進(jìn)制值為5，指向第6個(gè)常量，類型為CONSTANT_Class_info，類為 java/lang/Object
interface_count(u2): 實(shí)現(xiàn)接口數(shù)量 1 個(gè)
interface[0] ：指向常量池第7個(gè)常量，類型為CONSTANT_Class_info，接口名誒 java/io/Serializable
CONSTANT_Class_info 常量表結(jié)構(gòu)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(quán)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(biāo)志使用標(biāo)志位來表示，各個(gè)標(biāo)志含義如表
當(dāng)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(diǎn)為：
規(guī)則較寬松，不要求嚴(yán)格的順序、長度、內(nèi)容
只要不與已有屬性表重復(fù)，任何編譯器都可以向?qū)傩员碇袑懭胱远x的屬性信息，JVM會(huì)忽略掉不認(rèn)識(shí)的屬性。
屬性表結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，長度為attribute_length
Info info;
}
因此一個(gè)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(xù)說明，其它在實(shí)際需要時(shí)自行查閱
字段表與方法表攜帶的屬性表暫未涉及，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)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(jié)，SourceFile屬性結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù)量已經(jīng)字段數(shù)量表
字節(jié)碼字段表
從 0x014D ~ 0x016E ， 其中 0x014D ~ 0x014E 表示字段數(shù)， 值為 0x0003，表示字段數(shù)為3，隨便就是緊挨著的字段表。字段表結(jié)構(gòu)如下
// 偽代碼
{
// 訪問標(biāo)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(shù)量
attributes_count
// 屬性表內(nèi)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(dāng)attributes_count的值為0時(shí)， 說明無需attribuite_info。字段也擁有訪問標(biāo)志來對字段做進(jìn)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(chǔ)知識(shí))。
當(dāng)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(biāo)志：0x001A
字段名索引：0x000B，十進(jìn)制值為11，指向常量池第11個(gè)常量，為y
描述符索引為：0x0009，指向常量池第9個(gè)常量，為I
屬性表數(shù)為：0x0001，數(shù)量為1
屬性表總占用長度為：u2 + u4 + 2字節(jié) 共10位，即 0x0167 ~ 0x016E
字段訪問標(biāo)志位含義如表：
當(dāng)前為 private static final ，即 0x0001 | 0x0008 | 0x0010 ， 為 0x001A。
通過訪問標(biāo)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(shí)基本數(shù)據(jù)類型的變量，會(huì)使用屬性表ConstantVulue來進(jìn)行賦值。屬性表 ConstantVulue 除了約定的基本數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(shí)例中的變量m，類變量x則在成員初始函數(shù)、類初始函數(shù)中進(jìn)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(shù)量與方法表集合
范圍為 0x016F ~ 0x0258，方法數(shù)值為 0x0005 共 5 個(gè)方法。除了示例自定義的 increace() ，m() 和 hello() 外，還有實(shí)例構(gòu)造方法<init>()v，類構(gòu)造器<clinit>()方法。
方法表結(jié)構(gòu)為:
偽代碼
{
// 訪問標(biāo)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(shù)量
u2 attributes_count;
// 屬性表內(nèi)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(jié)構(gòu)以及具體字節(jié)碼，可以推算出方法所包含的內(nèi)容。其中，訪問標(biāo)志含義如表：
取構(gòu)造實(shí)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(yīng)常量池得到 <init>
descriptor_index: 0x000F，為15，對應(yīng)常量池得到 ()V
attributes_count: 0x0001，為1，屬性表數(shù)量為1
可以根據(jù)信息反推得到函數(shù)信息，實(shí)例化函數(shù)被表達(dá)為 public <init>()V，依次為訪問標(biāo)志位、函數(shù)名、返回值。
一個(gè)函數(shù)方法，更重要的如何表述它所提供的功能。本質(zhì)上來說，函數(shù)體里所有的代碼段都是在進(jìn)行運(yùn)算操作，因此，只要將函數(shù)體里的代碼段轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼指令即可，函數(shù)執(zhí)行時(shí)根據(jù)執(zhí)行即可，再次之上再幾率一下關(guān)鍵信息，就能得出函數(shù)執(zhí)行、棧深度、局部變量數(shù)、字節(jié)碼占用文件大小。
在attributes_count之后，從 0x0179 ～ 0x01A5 是屬性表包含的內(nèi)容。根據(jù)之前所說的屬性表約定的格式 0x0179 ~ 0x0180 位置值為 0x0010，十進(jìn)制為16，查找啊常量池知屬性表為Code類型。Code類型屬性表結(jié)構(gòu)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(shù)
u2 max_locals;
// 字節(jié)碼指令長度
u4 code_length;
// 字節(jié)碼指令
u1 code code_length;
// 異常表數(shù)量
u2 exception_table_length;
// 異常表
exception_info exception_table;
// 屬性表數(shù)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(jié)碼文件，通過javap -verbose className也可以拿到，一起貼了
紅圈為字節(jié)碼指令集，黃圈為每一條字節(jié)碼指令，綠圈為Code屬性表的基本信息，藍(lán)圈為javap工具解析出的實(shí)例函數(shù)信息。
首先，最大棧深為2，在函數(shù)執(zhí)行的任意時(shí)刻都不會(huì)超過這個(gè)操作數(shù)棧深度的最大值；然后局部變量數(shù)為1，表示局部變量表所需的存儲(chǔ)空間，單位為Slot，此單位是JVM為局部變量分配內(nèi)存所使用的最小單位。藍(lán)圈里還有args_sige表示方法接受的參數(shù)數(shù)，這里為1，也就是 this。最后就是函數(shù)代碼塊里轉(zhuǎn)成的字節(jié)碼指令里。
字節(jié)碼指令不在文章的討論范圍內(nèi)，不妨簡單了解。
字節(jié)碼指令代表著某種特定操作，由一個(gè)字節(jié)長度代表其操作含義，后面可以跟隨0到多個(gè)所需操作數(shù)。
本例子中的初始化函數(shù)被翻譯成了：
2A B7 00 01 2A 10 7B B5 00 02 B1
也就是上圖藍(lán)圈處的:
{
// 將 this 入棧
0: aload_0
// 喚醒父類實(shí)例化函數(shù)
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(yīng)的字節(jié)碼為 B5 00 02，其中 B5 代表操作執(zhí)行 00 02 為操作所需參數(shù)，值為 0x0002，表示指向常量池類型為 CONSTANT_Fieldref_info 的常量。CONSTANT_Fieldref_info 結(jié)構(gòu)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(dāng)前為指向第二個(gè)常量，對照信息：
m初始化
能知道字節(jié)碼操作 B5 00 02 是將棧中的 123 給 TestClass.m 進(jìn)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(gòu)造器<cinit>中進(jìn)行，inicrea()和m()函數(shù)也可以用相同的方式進(jìn)行分析。不再陳述，點(diǎn)到為止。
08 總結(jié)
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(nèi)容的基本信息。.Class文件可以看成多張表的集合，根據(jù)表制定的規(guī)則，順藤摸瓜，自然能找出對應(yīng)信息。
.Class文件在如何表達(dá)信息上不難理解，難的是有耐心去縷清這些瑣碎的索引關(guān)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(fā)揮空間，根據(jù)場景提供更多內(nèi)容。
文章僅了解了解析.Class文件的基本規(guī)則，更進(jìn)一步的解析規(guī)則感興趣或需要時(shí)再了解即可，方法不變。
參考
《深入理解Java虛擬機(jī)》 —— 第6章
1、深入理解JVM字節(jié)碼執(zhí)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(tái)https://blog.csdn.net/banjing_1993/article/details/82349013
歡迎在留言區(qū)留下你的觀點(diǎn)，一起討論提高。如果今天的文章讓你有新的啟發(fā)，學(xué)習(xí)能力的提升上有新的認(rèn)識(shí)，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)分享給更多人。
