一、前言
隨著我們學習的不斷深入，我相信讀者對class文件很感興趣，class文件是用戶編寫程序與虛擬機之前的橋樑，程序通過編譯形成class文件，class文件之後會載入虛擬機，被虛擬機執行，下面我們來一起揭開class文件的神秘面紗。
二、什麼是class文件
class文件是二進制文件，通常是以.class文件結尾的文件，它是以8位字節為基礎單位的二進制流，各個數據項緊密排列在class文件中，數據項的基本類型為u1,u2,u4,u8，分別表示一個字節，兩個字節，四個字節,八個字節的無符號數。
三、class文件數據結構
其實對於class文件而言，總體的數據結構看上去很規整，具體的結構如下圖所示
下面我們將用一個例子詳細講解class文件的各個部分。
四、示例
public class Test implements Cloneable {
private String name;
public Test() {
}
public Test(String name) {
this.name = name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
}
說明：以上是一個很簡單和通用的類，下面我們的分析都將基於這個類。
經過編譯後，得到class文件，使用WinHex打開，class文件內容如下
下面我們將從這個文件的內容入手，慢慢分析class文件各個部分。
五、class內容詳解
5.1 magic
class文件的最開始4個字節為magic（魔數），用來確定該class文件能夠被虛擬機接受。而在我們的class文件中，我們可以看到最開始4個字節是CAFEBABE。所有的class文件的開始4個字節都是CAFEBABE。
5.2 minor_version && major_version
主次版本號，會隨著Java技術的發展而變化，表示虛擬機能夠處理的版本號。在magic之後的minor_version和major_version分別是0和52（52 = 3 * 16 + 4）。
5.3 constant_pool_count && constant_pool
常量池中常量表的數量和常量表，常量池中的每一項是常量表，具體的常量表包含類和接口相關的常量，存了很多字面量和符號引用。字面量主要包括了文本字符串和final常量。符號引用包括：1. 類和接口的全限定名 2. 字段的名稱和描述符 3. 方法的名稱和描述符。
常量池中的項目包含如下類型：
從上面的圖中我們可以知道，常量池中常量項（常量項都對應一個表）為23（23 = 1 * 16 + 7），值得注意的是常量項的索引值從1開始，到22，總共22項，索引值為0的項預留出來，暫時還未使用。緊接著就是常量項，每個常量項的第一個字節u1表示標誌(tag)，標誌(tag)表示是什麼類型的項目，標誌的值為上表給出的值，如標誌為1(tag = 1)，表示CONSTANT_Utf8_info項目。上圖中的第一個常量項為的標誌tag的值為10（10 = 0 * 16 + A），為CONSTANT_Methodreef_info表，表示類中方法的符號引用。其中CONSTANT_Methodref_info表的結構如下
接著，在tag後面是u2類型的index項目，為4（4 = 0 * 16 + 4），表示指向常量池的第四項，由描述可知，第四項應該是CONSTANT_Class_info項，接著，又是u2類型的index項目，為18（18 = 1 * 16 + 2），表示指向常量池的第18項，由表的描述可知，第十八項應該是CONSTANT_NameAndType_info項，正確性我們之後進行驗證。第一個常量項CONSTANT_Methodref_info就完了。
緊接著第一個常量項是第二個常量項，tag為9（0 * 16 + 9），表示CONSTANT_Fieldref_info表，表示字段的符號引用。CONSTANT_Field_info的表結構如下
接著，在tag後面的是u2類型的index項目，為3（0 * 16 + 3），表示指向常量池的第三項，應該為CONSTANT_Class_info項，緊接著是index項目，為19（1 * 16 + 3），表示指向常量池的第19項，應該是CONSTANT_NameAndType_info項。
接著，是第三項常量，tag為7（0 * 16 + 7），表示CONSTANT_Class_info表，其中，其表結構如下
接著tag的為類型為u2的index，為20（1 * 16 + 4），表示指向常量池的第二十項，表示全限定名。
接著第四項常量，tag為7(0 * 16 + 7)，表示CONSTANT_Class_info表，表結構已經介紹了，接著是u2的index，為21（1 * 16 + 5），表示指向全限定名。
接著第五項常量，tag為7，u2的類型的index為22（1 * 16 + 6），表示指向全限定名。
同理，按照這樣的方法進行分析，最後給出一個總的常量池表如下。
說明：#表示常量項的索引，Utf8表中存放的是具體的字符串。如#6中存放的就是字符串name，#10中存放的就是字符串Code，關於表示的具體含義，我們稍後會進行解釋。
除去我們之前介紹的常量表結構，常量池中其他常量表的結構分別如下：
說明：描述符分為字段描述符和方法描述符，字段描述符用來描述字段的數據類型，方法的描述符用來描述方法的參數列表（包括數量、類型、順序）和返回值。基本類型和對象的描述符如下：
說明：上表中並沒有指出出現數組瞭如何描述，每一個維度使用一個前置的"["來描述，如int[]描述為[I，String[]描述為[Ljava/lang/String；long類型是使用字符J進行標識，對象類型是使用L字符進行標識。如String類型描述為Ljava/lang/String;short類型描述為S,對於方法描述符而言，按照先參數列表，後返回值進行描述，參數列表按照參數順序放在小括號"()"內部，如void inc(int i)描述為(I)V；int getName()描述為()I；void setName(String name)描述為(Ljava/lang/String)V；方法的描述符與方法名稱是分開進行的，方法描述中並沒有包含方法名。
5.4 access_flags
常量池後的兩個字節，用於識別類或接口層次的訪問信息，如，這個class是類或者是接口，是否為public，abstract,final等等。具體的標誌含義如下：
說明：其中ACC_INTERFACE與ACC_FINAL不能同時存在。
從之前的字節碼中可以知道，access_flags為0x0021（0x0021 = 0x0020|0x0001），即為public，並且允許使用invokespecial字節碼。
5.5 this_class
接著access_flags後面的u2類型的this_class，表示對常量池的索引，該索引項為CONSTANT_Class_info類型，從前面我們知道this_class為0x0003，表示對常量池第三項的索引，第三項我們知道確實是CONSTANT_Class_info類型，而第三項所表示的內容為Test，即表示當前類。
5.6 super_class
接著this_class後面的是u2類型的super_class，表示對常量池的索引，從前面我們知道super_class為0x0004，表示對常量池第四項的索引，第四項我們知道是CONSTANT_Class_info類型，而第四項所表示的內容為java/lang/Object，表示Test的父類為Object類。
5.7 interfaces_count && interfaces
接著super_class後面的u2類型表示接口數量，此接口數量為該類直接實現或者由接口所擴展接口的數量。從前面我們可以知道，interfaces_count為0x0001，表示接口數量為1，從程序中我們也可以知道確實是只實現了Cloneable接口。
接著就是類型為u2的interfaces,表示對常量池的索引，值為0x0005，表示對第五項的索引，第五項為CONSTANT_Class_info類型，所表示的內容為java/lang/Cloneable，從源程序我們可以進行驗證。
5.8 fields_count && fields
接著interfaces後面的是類型為u2的fields_count（包括類變量和實例變量，不包括局部變量），值為0x0001，為1，從源程序我們知道只聲明瞭一個實例變量name，所以為1。接著fields_count的是類型為fields_info表，field_info表的具體結構如下
接著fields_count後的是field_info表，首先是u2類型的access_flags，access_flags的具體含義如下表所示
說明：public、private、protected只能會有一個有效。final、volatile只能有一個有效。
我們可以知道access_flags為0x0002，表示為private，緊接著是類型為u2的name_index，值為0x0006，表示對常量池第六項的索引，常量池第六項為Class_Utf8_info類型，內容為name，則表示了字段的名稱。接著是類型為u2的descriptor_index，值為0x0007，表示對常量池第七項的索引，常量池第七項為Class_Utf8_info類型，內容為Ljava/lang/String，緊接著是類型為u2的attributes_count，為0x0000，表示field_info表沒有嵌套attribute_info表。
最後的field_info表結構如下：
5.9 methods_count && methods
fields後面的是類型為u2的methods_count，methods_count的計數只包括在該類或接口中顯示定義的方法，不包括從超類或父接口繼承來的方法，我們可以知道methods_count的值為0x0004，表示有四個方法，從源程序我們也可以進行驗證。緊接著methods_count的是method_info表，method_info表的具體結構如下（與field_info完全相同）
而對於access_flags標誌種類如下
method_count為4表示接下來有4個method_info表。
首先是第一個method_info表，u2類型的access_flags，為0x0001，表示public，接著是類型為u2的name_index，為0x0008，表示對常量池第八項的索引，第八項為Class_Utf8_info類型，內容為，表示實例初始化方法，由編譯器產生；接著是類型為u2的descriptor_index，為0x0009，表示對常量池第九項的索引，第九項為Class_Utf8_info類型，內容為()V，表示參數為空，返回值為void，接著是類型為u2的attributes_count，為0x0001，表示有一個屬性表；接著是attribute_info表，attribute_info表的結構如下：
接著attributes_count的是類型為u2的attribute_name_index，為0x000A，指向常量池第十項索引，第十項類型為Class_Utf8_info類型，內容為Code，Code屬性表示屬性的具體類別；接著是類型為u4的attribute_length，為0x00000021，表示屬性長度為33（2 * 16 + 1），接著就是具體每個屬性的info信息，對於Code屬性而言，其結構如下
接著attribute_length的是類型為u2的max_stack，為0x0001，表示操作數棧的最大深度，接著max_stack的是類型為u2的max_locals，為0x0001，表示局部變量所需的存儲空間大小為1，局部變量表的單位為slot，(byte、char、float、int、short、boolean等不超過32為的數據類型只佔據一個slot，double、long64為數據類型需要兩個slot)，局部變量表可以存放方法參數（實例方法的this引用）、顯式處理器的參數catch中所定義的異常、方法體中定義的局部變量。接著max_locals的是類型為u4的code_length，為0x00000005，為5，表示code代碼的長度為5，接著code的是類型為u2的exception_table_length，為0x0000，表示不存在異常表，接著是類型為u2的attributes_count(exception_table_length為0)，為0x0001，為1，表示屬性數量為1，表示有一個屬性表，接著就是attribute_info表，類型為u2的attribute_name_index，為0x000B，表示對常量池第11項索引，第11項類型為Class_Utf8_info，內容為LineNumberTable，表示具體的屬性，LineNumberTable的具體結構如下圖所示
接著attribute_name_index的是類型為u4的attribute_length，為0x0000000A，長度為10，表示屬性長度為10，接著attribute_length的是類型為u2的line_number_table_length，為0x0002，為2，表示有兩個line_number_info表，line_number_info表的具體結構如下：
首先是第一個line_number_info表，類型為u2的start_pc，為0x0000，為0；接著是類型為u2的line_number，為0x0003，為3。第二個line_number_info表，類型為u2的start_pc，為0x0004，為4，接著是line_number，為0x0005，為5；
至此，第一個method_info表就已經分析完了，第一個method_info表的包含結構如下圖所示。
第二個、第三個、第四個Method_info都可以按照第一個Method_info表的方法進行類推。最後的4個表的說明如下
除了上面介紹的屬性表之外，還有其他的屬性表，下面進行介紹。
5.10 attributes_count && attributes
接在methods後面的是attributes_count，attributes_count為0x0001，表示有一個attribute_info表，接著attribute_count後面的是attribute_name_index，為0x0010，表示指向常量池第16項的索引，第16項類型為Class_Utf8_info類型，內容為SourceFile，表示屬性為SourceFile，SourceFile屬性的具體結構如下
可以看到attributes_count為0x0001，為1，表示有一個屬性表，緊接著，attribute_name_index為0x0010，為16，對應常量池第十六項，類型為Class_Utf8_info，內容為SourceFile，類型為u4的attribute_length，為0x00000002，值為2，緊接著是類型為u2的sourcefile_index，為0x0011，為17。
至此，整個class文件都已經解析完成了，其實經過分析，我們發現其實分析class文件並不困難，都有固定的格式。
六、特殊字符串
常量池容納的符號引用包括三種特殊的字符串：全限定名、簡單名稱、描述符。全限定名為類或接口的全限定名，如java.lang.Object對象的全限定名為java/lang/Object，用/代替.即可。簡單名稱為字段名或方法名的簡單名稱，如Object對象的toString()方法的簡單名稱為toString，描述符我們在之前已經介紹過了。
七、指令介紹
7.1 方法調用指令：
1. invokevirtual，用於調用對象的實例方法，根據對象的實際類型進行分派。
2. invokeinterface，用於調用接口方法，在運行時搜索一個實現了該接口方法的對象，找出合適的方法進行調用。
3. invokespecial，用於調用需要特殊處理的實例方法，包括實例初始化方法、私有方法、父類方法。
4. invokestatic，用於調用類方法，static方法。
5. invokedynamic，用於在運行時動態解析出調用點限定符所引用的方法，並執行該方法。
7.2 返回指令
ireturn(boolean、byte、char、short、int)、lreturn、freturn、dreturn、areturn(返回為對象引用類型)、return(返回為void)
7.3 同步指令
虛擬機支持方法級的同步和方法內部一段指令序列的同步，都使用管程(Monitor)來支持。方法級(synchronized修飾)同步時隱式的，無需通過字節碼指令來控制，方法調用時檢查ACC_SYNCHRONIZED標誌。方法內部的synchronized語句塊使用monitorenter，monitorexit指令來確保同步。
七、總結
class文件看似很複雜，其實經過分析我們發現class文件並不難，通過分析class文件，我們知道了源程序經過編譯器編譯之後如何組織在class文件中，進而為虛擬機執行程序提供搭起了橋樑。也相信經過分析，讀者也能夠分析class文件了，那麼我們的目的也就達到了，謝謝各位園友的觀看~
