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Java高级——Class文件及解析

news 来源：原创 2024/9/29 20:34:55

Class文件及解析

Class文件
各字段解析
- magic、minor_version、major_version
- constant_pool_count
- constant_pool
- - 常量含义
  - 常量池解析
  - 常量池项
- access_flag
- this_class
- super_class
- interfaces_count、interfaces
- fields_count、fields
- methods_count、methods
- attributes_count、attributes
- - - code
    - LineNumberTable
    - LocalVariableTable、LocalVariableTypeTable
    - Exception
    - SourceFile、SourceDebugExtension
    - ConstantValue
    - InnerClasses
    - Deprecated、Synthetic
    - StackMapTable
    - Signature
    - BootstrapMethods
    - MethodParameters
    - Module
    - ModulePackages
    - ModuleMainClass
    - RuntimeVisibleAnnotations

Class文件

Java 虚拟机具有平台无关性和语言无关性，只与Class文件关联

Class文件对应类或接口的定义信息，但反之不成立（类或接口可动态生成并送入类加载器）

Class文件以8kb为单位，当大于8kb时，高位在前，包含

无符号数：u1、u2、u4、u8代表1-2-4-8kb，描述数字，引用等
表：由无符号数或表构成，以_info结尾

当需要描述多个同一类型数据时，可用前置容量计数器+若干个连续的数据项，称为集合

在这里插入图片描述

各字段解析

以下面程序为例，用JDK6编出class文件

public class Test {

	private int m;
	
	public int inc() {
		return m + 1;
	}
}

WinHex打开如下

在这里插入图片描述

下文将对上图逐项翻译成如下Javap 的反编译结果

Compiled from "Test.java"
public class Test extends java.lang.Object
  SourceFile: "Test.java"
  minor version: 0
  major version: 50
  Constant pool:
const #1 = class	#2;	//  Test
const #2 = Asciz	Test;
const #3 = class	#4;	//  java/lang/Object
const #4 = Asciz	java/lang/Object;
const #5 = Asciz	m;
const #6 = Asciz	I;
const #7 = Asciz	<init>;
const #8 = Asciz	()V;
const #9 = Asciz	Code;
const #10 = Method	#3.#11;	//  java/lang/Object."<init>":()V
const #11 = NameAndType	#7:#8;//  "<init>":()V
const #12 = Asciz	LineNumberTable;
const #13 = Asciz	LocalVariableTable;
const #14 = Asciz	this;
const #15 = Asciz	LTest;;
const #16 = Asciz	inc;
const #17 = Asciz	()I;
const #18 = Field	#1.#19;	//  Test.m:I
const #19 = NameAndType	#5:#6;//  m:I
const #20 = Asciz	SourceFile;
const #21 = Asciz	Test.java;

{
public Test();
  Code:
   Stack=1, Locals=1, Args_size=1
   0:	aload_0
   1:	invokespecial	#10; //Method java/lang/Object."<init>":()V
   4:	return
  LineNumberTable: 
   line 1: 0

  LocalVariableTable: 
   Start  Length  Slot  Name   Signature
   0      5      0    this       LTest;


public int inc();
  Code:
   Stack=2, Locals=1, Args_size=1
   0:	aload_0
   1:	getfield	#18; //Field m:I
   4:	iconst_1
   5:	iadd
   6:	ireturn
  LineNumberTable: 
   line 6: 0

  LocalVariableTable: 
   Start  Length  Slot  Name   Signature
   0      7      0    this       LTest;


}

magic、minor_version、major_version

Magic Number用于确定是否为Class文件，值为0xCAFEBABE

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minor_version为次版本号，major_version为主版本号，如上JDK6编译的class版本号为50

在这里插入图片描述

次版本号在JDK1.2后已弃用（固定为0），但在JDK12后表示当前Class文件中是否使用了预览功能，若使用则为65535

constant_pool_count

常量池计数器，从1开始，第0项常量表示不引用任何一个常量池项目，如下表示有1-21共22个常量

在这里插入图片描述

constant_pool

常量池主要存放

字面量：字符串、final常量等
符号引用：包、类或接口的全限定名、描述符等

常量含义

常量池每一项都是一个表，第一位代表tag代表类型
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常量池解析

在这里插入图片描述

如上常量1的tag为0x07，即CONSTANT_Class_info，结构如下

在这里插入图片描述
name_index表示类或接口的符号引用，值为0x0002，表示指向常量2

在这里插入图片描述

如上常量2的tag为0x01，即CONSTANT_Utf8_info，结构如下

在这里插入图片描述
length表示字符长度，bytes表示UTF-8缩略码

‘\u0001’ 到 ‘\u007f’（即1-127的ASCII码）用一个字节表示
‘\u0080’ 到 ‘\u07ff’ 用两个字节表示
‘\u0800’ 到 ‘\uffff’ 用三个字节表示

上图中length为0x0004，即后续4字节为常量内容，翻译成ASCII为类名Test

方法、字段名都是用CONSTANT_Utf8_info描述，其最大长度为u2，即65535，超过会无法编译

常量池项

如下为截取的全部常量池项

const #1 = class	#2;	//  Test
const #2 = Asciz	Test;
const #3 = class	#4;	//  java/lang/Object
const #4 = Asciz	java/lang/Object;
const #5 = Asciz	m;
const #6 = Asciz	I;
const #7 = Asciz	<init>;
const #8 = Asciz	()V;
const #9 = Asciz	Code;
const #10 = Method	#3.#11;	//  java/lang/Object."<init>":()V
const #11 = NameAndType	#7:#8;//  "<init>":()V
const #12 = Asciz	LineNumberTable;
const #13 = Asciz	LocalVariableTable;
const #14 = Asciz	this;
const #15 = Asciz	LTest;;
const #16 = Asciz	inc;
const #17 = Asciz	()I;
const #18 = Field	#1.#19;	//  Test.m:I
const #19 = NameAndType	#5:#6;//  m:I
const #20 = Asciz	SourceFile;
const #21 = Asciz	Test.java;

对应图中如下选中部分
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access_flag

描述类或接口的访问信息，选项如表

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如Test类的标志值为ACC_PUBLIC和ACC_SUPER，即0x0001 | 0x0020 = 0x0021

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this_class

描述类的全限定名，引用常量池项，如下指向常量1，而1指向2，即类名Test

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super_class

描述类所继承父类的全限定名，引用常量池项，除Object外，所有java类的super_class都不为0，如下指向常量3，而3指向4，即java/lang/Object

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interfaces_count、interfaces

描述类所实现接口的全限定名，引用常量池项，若没实现任何接口则为0，后面不再占用字节

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fields_count、fields

描述接口或类中声明的变量，包括类变量和实例变量，不包括方法内的局部变量，结构如下

在这里插入图片描述

access_flags为修饰符，选项如下

ACC_PUBLIC、ACC_PRIVATE、ACC_PROTECTED三选一
ACC_FINAL、ACC_VOLATILE冲突
接口中包含ACC_PUBLIC、ACC_STATIC、ACC_FINAL

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name_index为名称，引用常量池项，即变量名

descriptor_index为描述符，引用常量池项，用于描述字段的数据类型、方法的参数列表和返回值，选项如下

在这里插入图片描述

数组用 [ 表示，如String[][] 记录为[[Ljava/lang/String
描述方法时先参数列表后返回值并放在括号内，如int indexOf(char[] arr)描述为([C)I

attributes_count和attributes描述额外信息，引用常量池项，若字段赋值，则会多一项Contstant Value的属性

在这里插入图片描述

fields_count = 0x0001，只有一个变量
access_flags = 0x0002，即private
name_index = 0x0005，指向常量5=m
descriptor_index = 0x0006，指向常量6=I，int
attributes_count = 0x0000，无attributes

此外在fileds中

不会列出从父类或父接口继承的字段
可能出现原代码中不存在的字段，如内部类会添加指向外部类实例的字段
java中字段需使用不同名字，但class中只要字段描述符不同，字段即可重名

methods_count、methods

描述类或接口中的方法定义（方法体代码编译成字节码指令存放在attributes中的Code属性），结构如下

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access_flags为修饰符，方法无volatile、transient，新增synchronized、native、strictfp、abstract，选项如下

在这里插入图片描述

methods_count = 0x0002，存在构造方法<init>和源码中的inc()

下面只介绍<init>

access_flags = 0x0001，构造方法为public
name_index = 0x0007，指向常量7=<init>
descriptor_index = 0x0008，指向常量8=()V，无参数返回void
attributes_count = 0x0001，存在一个attributes_info
后面内容为Code attribute，在下面讲解

此外，对于methods

不会列出子类未复写的父类方法
可能出现原代码中不存在的方法，如<clinit>()和<init>()
Java中方法签名包括方法名称、参数顺序及参数类型，而class签名还包括方法返回值以及受查异常表

attributes_count、attributes

Class、Field、Method都可以携带attributes，无严格顺序，但属性名不可重复，结构如下
在这里插入图片描述
attribute_length 表示属性值长度，为属性表长度减去6u（即减去attribute_name_index和attribute_length长度）

attribute_name_index代表属性名，引用常量池，选项如下
在这里插入图片描述

code

描述方法体代码，接口或抽象类方法无此属性，结构如下

在这里插入图片描述
max_stack代表了操作数栈最大深度，方法执行时不会超过此值，运行时需根据此值分配栈帧中的操作栈深度

max_locals代表了局部变量表所需的存储空间，单位为Slot

并非所有局部变量所占Slot之和
Slot可复用，当超出某局部变量的作用域时，其所占Slot可被其他局部变量使用
编译器会根据变量的作用域来分配Slot
根据同时生存的最大局部变量数量和类型计算出max_locals的大小

code_length代表字节码指令长度，实际只用了u2，超过65535条字节码指令会编译失败

code是字节码指令，其取值在此

exception_table_length表示异常处理表长度

exception_table 为异常处理表，结构如下

在这里插入图片描述

若[start_pc,end_pc)行出现了catch_type或其子类异常，则转到第handler_pc行处理
若catch_type=0，则任意异常都转到handler_pc行处理

在这里插入图片描述

如上图，刚刚说到<init>方法中attributes_count = 0x0001，存在一个attributes_info

attribute_name_index = 0x0009，指向常量9=Code
attribute_length = 0x0000002F，即attribute长度为2F
max_stack = 0x0001
code_length = 0x00000005，即接下来5字节是字节码指令
2A对于指令为aload_0，将第0个变量槽中reference变量推送到操作数栈顶
B7对应指令invokespecial，调用栈顶的reference所指向对象的构造方法、private方法或父类方法，后跟一个u2的参数
000A指向常量10=<init>()，为invokespecial的参数
B1对应指令return
exception_table_length = 0x0000，即无异常表
attributes_count = 0x0002，存在两个attributes_info
后面内容为LineNumberTable和LocalVariableTable attributes，在下面讲解

上图对应javap

Code:
   Stack=1, Locals=1, Args_size=1
   0:	aload_0
   1:	invokespecial	#10; //Method java/lang/Object."<init>":()V
   4:	return

Args_size = 1表示的是this

即this其实是作为参数传入实例方法
实例方法的局部变量表中至少存在this，存放在第一个Slot
static方法无this，Args_size = 0

LineNumberTable

描述源码行号与字节码行号之间的对应关系

并非运行时必须，但默认生成
可使用-g：none或-g：lines取消生成
若不生成，当抛出异常时不会显示出错的行号，且调试无法设置断点

在这里插入图片描述
line_number_talbe_length表示对应关系的数量

line_number_info包含两个u2的start_pc和line_number，表示字节码行号和源码行号

在这里插入图片描述

attribute_name_index = 0x000C，指向常量C=LineNumberTable
attribute_length = 0x00000006，属性长度为6
line_number_table_length = 0x0001，即一个对应关系
start_pc = 0x0000，line_number = 0x0001，即0映射到1

对应的javap中内容为

LineNumberTable: 
   line 1: 0

LocalVariableTable、LocalVariableTypeTable

用于描述栈帧中局部变量表的变量与Java源码中定义的变量之间的关系，如下

非运行时必须，但默认生成
可使用-g：none或-g：vars取消生成
若没有生成，引用该方法时参数名会丢失变为arg0、arg1

在这里插入图片描述
local_variable_info代表了一个栈帧与源码中的局部变量的关联，如下

start_pc 表示局部变量的生命周期开始的字节码偏移量
length 表示作用范围长度
name_index 表示名称
descriptor_index 表示描述符
index 表示栈帧的局部变量表中Slot的位置

JDK5后新增LocalVariableTypeTable，把descriptor_index替换成了字段的签名，用于泛型

在这里插入图片描述

attribute_name_index = 0x000D，指向常量D = LocalVariableTable
attribute_length = 0x0000000C，长度为12
local_variable_length = 0x0001，有一个局部变量
start_pc = 0x0000，作用域从0开始
length = 0x0005，作用域长度为5
name_index = 0x000E，指向常量E = this
descriptor_index = 0x000F，指向常量F = LTest，即Test对象
index = 0x0000，solt = 0

对应javap的内容为

LocalVariableTable: 
   Start  Length  Slot  Name   Signature
   0      5      0    this       LTest;

至此，init()方法就讲解完了，后面是inc()方法不再赘述，如下

在这里插入图片描述

Exception

描述方法可能抛出的Checked Exception，即throws后面的声明的异常，结构如下

在这里插入图片描述
number_of_exceptions表示可能抛出多少种Checked Exception

exception_index_table表示Checked Exception的类型

SourceFile、SourceDebugExtension

描述生成这个Class文件的源码文件名称

可选，可通过-g：none或-g：source关闭生成
若不生成，当抛出异常时不显示出错代码所属的文件名

在这里插入图片描述
sourcefile_index为文件名

JDK5后新增SourceDebugExtension用于存储额外的代码调试信息
在这里插入图片描述
debug_extension存储额外的调试信息，一个类中最多只允许存在一个SourceDebugExtension属性

ConstantValue

通知虚拟机自动为静态变量赋值，只有static变量才能使用

非static变量的赋值是在<init>()方法
若为final static变量且数据类型为基本类型或String，用ConstantValue属性初始化
若非final的static变量，或并非基本类型及字符串，用<clinit>()方法初始化，因为ConstantValue只能指向基本类型或String的常量池引用

在这里插入图片描述
attribute_length值固定为2，即constantvalue_index的长度