字节码（.class）文件解读

2021年2月13日 129次阅读 来源: 汐梦聆海

字节码文件是什么

我们在命令后使用 java 命令，就能将java源文件（.java）编译成对应的字节码文件（.class）。字节码文件是一种八位字节的二进制流文件，各个数据项按照一定顺序从前到后紧密排列。因此，这样的安排会使得字节码文件非常紧凑，可以被jvm快速的加载到内存中，并且占用较少的内存空间。

java源文件在被编译器编译之后，每个类（或者接口）都单独占据一个字节码文件。类中所有信息都在字节码文件中有所描述，由于字节码文件非常灵活，它对类的描述能力甚至强于java源文件。

字节码文件中的信息是一项一项排列的，每一项都有各自固定的长度：有的占一个字节，有的占两个字节，有的占四个或八个字节。数据项不同的长度分别用u1, u2, u4, u8表示，对应数据项在字节码文件中占据1，2，4，8个字节。

字节码文件的结构

一个字节码文件由十部分构成：MagicNumber，Version，Constant_pool，Access_flag，This_class，Super_class，Interfaces，Fields，Methods和Attributes。可以用下面的表来展示他们的排列顺序和每一部分数据项的大小：
《字节码（.class）文件解读》

下面分别对每一项进行展开：

（1）magic：存在于字节码文件的开头四个字节，存放着字节码文件的魔数，他是一个固定值 0xCAFEBABE（英文就是java那个咖啡的图标）。如果是十六进制的CAFEBABE，那么这个文件符合字节码文件的标准；如果不是，则不能被jvm所识别。

（2）minor_version和major_version：紧跟着魔数的就是次版本号和主版本号。例如版本1.8.0，那么主版本号就是1.8，而此版本号对应是0。版本号与某一个整数之间有映射关系，因此只要将major_version的十六进制数转化为十进制，再查表找到映射关系，就可以知道java编译器的版本号。

（3）constant_pool：版本号后面为常量池，常量池是字节码文件中一个非常重要的部分。常量池存放了文字字符串，常量值，当前类的类名，字段名，方法名，各个字段和方法的描述符，对当前类的字段和方法的引用信息，当前类中对其他类的引用信息等等。几乎包含了类中所有信息的描述。

首先常量池开头两个字节描述了常量池中数据项的数目。常量池中的数据也是一项一项紧密排列的，各个数据项通过索引来访问。每一个数据项都有自己的数据类型，由开头的一个字节（标志值tag）决定，映射关系如下表所示：
《字节码（.class）文件解读》
每一种不同的数据类型，都对应不同的结构，例如CONSTANT_Methodref：

               CONSTANT_Methodref_info { 
                         u1 tag;    //u1表示占一个字节
                         u2 class_index;    //u2表示占两个字节
                         u2 name_and_type_index;    //u2表示占两个字节
               }

再比如CONSTANT_Utf8结构：

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

总而言之，每一个不同的数据类型都对应不同的组织结构。

（4）access_flag：保存了当前类的访问权限，包括了public，private，protected等等。

（5）this_class：保存了当前类的全局限定名在常量池中的索引。

（6）super_class：保存了当前类的父类全局限定名在常量池中的索引。

（7）interfaces：保存了当前类实现的接口列表，包括两个部分：interfaces_count和interfaces[interfaces_count]。前者表示当前类实现的接口数量，两个字节表示（因此理论上一个类最多实现65535个接口）；后者表示包含interfaces_count个接口的全局限定名索引的数组。

（8）fields：保存了当前类中的成员列表，也是分为两部分：fields_count和fields[fields_count]。前者表示一个类中的成员个数，后者表示字段详细信息的列表，如下所示：

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

详细信息包括了访问权限，成员名在常量池中的索引，类型描述符在常量池的索引，一些其他的属性（比如volatile之类的，但count如果是0，这个字段也就不存在了）。

（9）methods：保存了当前类的方法列表，包含两部分的内容：methods_count和methods[methods_count]。前者是该类或者接口显示定义的方法的数量，后者包含方法信息的一个详细列表，每一个方法信息如下：

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

这里的attribute比较复杂，涉及到操作数栈、局部变量表等等信息，不展开了。感兴趣的话可以看下结尾引用的那篇文章。

（10）attributes：包含了当前类的attributes列表，包含attributes_count和 attributes[attributes_count]。属性不仅仅可以出现在这个字段，如果出现在这个地方，则是对整个字节码文件所对应的类或者接口的描述；如果出现在fields或者methods中，则是对该字段或者该方法的额外信息的描述。

每一个attribute的结构如下：

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

最常见的一个属性就是attribute_name_index指向常量池中的SourceFile，而sourcefile_index指向常量池中的xxx.java（也就是这个字节码文件的源文件）。

总结

字节码文件中的十部分结构简单的分析如上所述，包含了让jvm识别的magic；java的版本号；常量池（各种成员名，方法名，类名，源文件名，方法描述符等等），这些常量信息被后面的field，method等等所引用；访问权限；类名和父类全限定名；实现的接口信息；类中成员和方法；类的额外属性。

如果想了解更具体的，可以参考一下深入理解JVM之Java字节码（.class）文件详解

最后放一个java代码，和编译后字节码文件的一部分信息（用javap反编译相当于对字节码文件进行解密）：

源代码：

    public class Hello{ 
      private int test;
      public int test(){ 
            return test;
        }
    }

字节码文件：
《字节码（.class）文件解读》
javap反编译得到每一部分的值：
《字节码（.class）文件解读》

参考

  1. https://blog.csdn.net/weelyy/article/details/78969412
  2. 《深入理解java虚拟机》
    原文作者：汐梦聆海
    原文地址: https://blog.csdn.net/jackzhang11/article/details/121674940
    本文转自网络文章，转载此文章仅为分享知识，如有侵权，请联系博主进行删除。
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