7. JVM详解之:java class文件的密码本
简介
一切的一切都是从javac开始的。从那一刻开始，java文件就从我们肉眼可分辨的文本文件，变成了冷冰冰的二进制文件。
变成了二进制文件是不是意味着我们无法再深入的去了解java class文件了呢？答案是否定的。
机器可以读，人为什么不能读？只要我们掌握java class文件的密码表，我们可以把二进制转成十六进制，将十六进制和我们的密码表进行对比，就可以轻松的解密了。
下面，让我们开始这个激动人心的过程吧。
一个简单的class
为了深入理解java class的含义，我们首先需要定义一个class类：
很简单的类，我想不会有比它更简单的类了。
在上面的类中，我们定义了一个age字段和一个inc的方法。
接下来我们使用javac来进行编译。
IDEA有没有？直接打开编译后的class文件，你会看到什么？
没错，是反编译过来的java代码。但是这次我们需要深入了解的是class文件，于是我们可以选择 view->Show Bytecode：
当然，还是少不了最质朴的javap命令：
对比会发现，其实javap展示的更清晰一些，我们暂时选用javap的结果。
编译的class文件有点长，我一度有点不想都列出来，但是又一想只有对才能讲述得更清楚，还是贴在下面：
ClassFile的二进制文件
慢着，上面javap的结果好像并不是二进制文件！
对的，javap是对二进制文件进行了解析，方便程序员阅读。如果你真的想直面最最底层的机器代码，就直接用支持16进制的文本编译器把编译好的class文件打开吧。
你准备好了吗？
来吧，展示吧！
上图左边是16进制的class文件代码，右边是对16进制文件的适当解析。大家可以隐约的看到一点点熟悉的内容。
是的，没错，你会读机器语言了！
class文件的密码本
如果你要了解class文件的结构，你需要这个密码本。
如果你想解析class文件，你需要这个密码本。
学好这个密码本，走遍天下都......没啥用！
下面就是密码本，也就是classFile的结构。
其中u2，u4表示的是无符号的两个字节，无符号的4个字节。
java class文件就是按照上面的格式排列下来的，按照这个格式，我们可以自己实现一个反编译器（大家有兴趣的话，可以自行研究）。
我们对比着上面的二进制文件一个一个的来理解。
magic
首先，class文件的前4个字节叫做magic word。
看一下十六进制的第一行的前4个字节：
0xCAFEBABE就是magic word。所有的java class文件都是以这4个字节开头的。
来一杯咖啡吧，baby！
多么有诗意的画面。
version
这两个version要连着讲，一个是主版本号，一个是次版本号。
对比一下上面的表格，我们的主版本号是3A=58，也就是我们使用的是JDK14版本。
常量池
接下来是常量池。
首先是两个字节的constant_pool_count。对比一下，constant_pool_count的值是：
换算成十进制就是23。也就是说常量池的大小是23-1=22。
这里有两点要注意，第一点，常量池数组的index是从1开始到constant_pool_count-1结束。
第二点，常量池数组的第0位是作为一个保留位，表示“不引用任何常量池项目”，为某些特殊的情况下使用。
接下来是不定长度的cp_info：constant_pool[constant_pool_count-1]常量池数组。
常量池数组中存了些什么东西呢？
字符串常量，类和接口名字，字段名，和其他一些在class中引用的常量。
具体的constant_pool中存储的常量类型有下面几种：
每个常量都是以一个tag开头的。用来告诉JVM，这个到底是一个什么常量。
好了，我们对比着来看一下。在constant_pool_count之后，我们再取一部分16进制数据：
上面我们讲到了17是常量池的个数，接下来就是常量数组。
首先第一个字节是常量的tag， 0A=10，对比一下上面的表格，10表示的是CONSTANT_Methodref方法引用。
CONSTANT_Methodref又是一个结构体，我们再看一下方法引用的定义：
从上面的定义我们可以看出，CONSTANT_Methodref是由三部分组成的，第一部分是一个字节的tag，也就是上面的0A。
第二部分是2个字节的class_index，表示的是类在常量池中的index。
第三部分是2个字节的name_and_type_index，表示的是方法的名字和类型在常量池中的index。
先看class_index，0002=2。
常量池的第一个元素我们已经找到了就是CONSTANT_Methodref，第二个元素就是跟在CONSTANT_Methodref后面的部分，我们看下是什么：
一样的解析步骤，07=7，查表，表示的是CONSTANT_Class。
我们再看下CONSTANT_Class的定义：
可以看到CONSTANT_Class占用3个字节，第一个字节是tag，后面两个字节是name在常量池中的索引。
00 04 = 4， 表示name在常量池中的索引是4。
然后我们就这样一路找下去，就得到了所有常量池中常量的信息。
这样找起来，眼睛都花了，有没有什么简单的办法呢？
当然有，就是上面的javap -version， 我们再回顾一下输出结果中的常量池部分：
以第一行为例，直接告诉你常量池中第一个index的类型是Methodref，它的classref是index=2，它的NameAndType是index=3。
并且直接在后面展示出了具体的值。
描述符
且慢，在常量池中我好像看到了一些不一样的东西，这些I，L是什么东西？
这些叫做字段描述符：
上图是他们的各项含义。除了8大基础类型，还有2个引用类型，分别是对象的实例，和数组。
access_flags
常量池后面就是access_flags：访问描述符，表示的是这个class或者接口的访问权限。
先上密码表：
再找一下我们16进制的access_flag:
没错，就是00 21。 参照上面的表格，好像没有21，但是别怕：
21是ACC_PUBLIC和ACC_SUPER的并集。表示它有两个access权限。
this_class和super_class
接下来是this class和super class的名字，他们都是对常量池的引用。
this class的常量池index=8， super class的常量池index=2。
看一下2和8都代表什么：
没错，JavaClassUsage的父类是Object。
大家知道为什么java只能单继承了吗？因为class文件里面只有一个u2的位置，放不下了！
interfaces_count和interfaces[]
接下来就是接口的数目和接口的具体信息数组了。
我们没有实现任何接口，所以interfaces_count=0，这时候也就没有interfaces[]了。
fields_count和fields[]
然后是字段数目和字段具体的数组信息。
这里的字段包括类变量和实例变量。
每个字段信息也是一个结构体：
字段的access_flag跟class的有点不一样：
这里我们就不具体对比解释了，感兴趣的小伙伴可以自行体验。
methods_count和methods[]
接下来是方法信息。
method结构体：
method访问权限标记：
attributes_count和attributes[]
attributes被用在ClassFile, field_info, method_info和Code_attribute这些结构体中。
先看下attributes结构体的定义：
都有哪些attributes, 这些attributes都用在什么地方呢？
其中有六个属性对于Java虚拟机正确解释类文件至关重要，他们是： ConstantValue，Code，StackMapTable，BootstrapMethods，NestHost和NestMembers。
九个属性对于Java虚拟机正确解释类文件不是至关重要的，但是对于通过Java SE Platform的类库正确解释类文件是至关重要的，他们是：
Exceptions，InnerClasses，EnclosingMethod，Synthetic，Signature，SourceFile，LineNumberTable，LocalVariableTable，LocalVariableTypeTable。
其他13个属性，不是那么重要，但是包含有关类文件的元数据。
总结
最后留给大家一个问题，java class中常量池的大小constant_pool_count是2个字节，两个字节可以表示2的16次方个常量。很明显已经够大了。
但是，万一我们写了超过2个字节大小的常量怎么办？欢迎大家留言给我讨论。
本文作者：flydean程序那些事
本文来源：flydean的博客
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