從JVM設計者的角度來看.class文件結構，一文弄懂.class文件的身份地位

目錄

• 本文相關虛擬機的命令
• Class文件產生背景及重要地位
  • 【問題】只有Java語言編譯後的class文件才能在 JVM 裏面跑嗎？
  • class文件的地位
• Class 類文件結構設計解析
  • 【問題】你會怎麼設計class文件？

本文相關虛擬機的命令

1. 編寫Java源碼

Java源碼

2. 編譯指令 javac xxx.java，獲得.class文件
3. hexdump -C filename能夠查看二進制文件

.class 二進制文件

4. 編譯後使用 javap -c 類名, 獲得.class文件對應的虛擬機指令 class文件對應的虛擬機指令

class文件對應的虛擬機指令表

這裏先讓你們大體的看看.class文件和虛擬機指令的樣子，不會讓你有種「所愛隔山海」的感受。

Class文件產生背景及重要地位

【問題】只有Java語言編譯後的class文件才能在 JVM 裏面跑嗎？

首先拋一個問題，是否是隻有Java語言編譯後的class文件才能在jvm中運行，也就是說其餘的語言是否可使用Java虛擬機做爲媒介？ 答案是：不是，能夠的；只要符合JVM文件結構的規範，編譯後的文件均能運行，好比scala語言.scala結尾文件，能夠編譯爲.class文件，能夠在jvm中運行，哈哈哈，這裏寫的好生硬。

各類語言與JVM的愛恨情仇

如圖各類語言與JVM的愛恨情仇，只要你的語言通過本身的編譯器，最終能獲得一個JVM須要的.class文件，那麼你就能夠。

class文件的地位

• Source: 源碼
• Class: 字節碼
• Runtime: 運行時

字節碼形態經由Classloader加載變成運行時形態（內存中）。

java 剛剛誕生的口號「一次編寫，處處運行",這是知足開發人員對衝破平臺限制渴望的實現，這個很快就實現。然而設計者一開始發佈規範文檔的時候就是刻意把Java規範拆解成了《Java語言規範》和《Java虛擬機規範》，也就是說他們對虛擬機的野心不止於Java語言，他們將來的目標是衝破語言限制，如今也實現了，Scala，jRuby這些語言均可以運行在Java虛擬機上面。隨着平臺（windows,linux,unix）基本穩定，而語言突飛猛進，往後JAVA「語言無關」的優點可能會超過「平臺無關」的優點！

實現語言無關的關鍵就是虛擬機和字節碼存儲格式。能夠理解成虛擬機給你提供一個接口，你只須要按照他指定的格式傳class文件給他，他即可以運行你的代碼，因此關鍵就是這個class文件。虛擬機不關心你的項目使用什麼語言進行代碼實現，最後你只須要按照他想要的class格式編譯成class文件傳給他，就能夠成功運行在虛擬機上面。我說的夠清楚了吧老弟？

Class 類文件結構設計解析

class 文件是一組以8位字節爲基礎單位的二進制流，中間沒有任何分隔符，正是由於沒有任何分隔符因此class文件裏面的數據項在順序和數量上面是嚴格限定的，每一個字節的含義，長度，前後順序，都不容許改變。具體class文件內容看圖。

class文件採用的是一種相似於C語言結構體的僞結構來存儲數據，本質就是一張表，如圖所示：

.class 二進制文件

class文件對應內容

【問題】你會怎麼設計class文件？

首先拋出一個問題，JVM一開始就是服務Java的，拿Java語言來舉例子，若是你是設計者，你將你的Java源碼編譯成class文件，你會怎麼設計這個class文件？

思路：轉換成容易理解的實現，知道Java的，通常都知道xml文件，一個JavaBean徹底能夠轉化爲用xml這種描述性語言來表示，緣由是xml是指定好了協議，你的Java要變成 xml 就要按照個人協議來辦事，用 xml 描述一個學生對象以下：

xml 表示的Java對象

協議的話其實就很能理解，你的class是一個十六進制文件，那麼就必須制定本身的協議啊，使得你的十六進制描述的東西能夠轉化爲 JVM 能夠理解的虛擬機指令，也就是你的 「xx」 這幾個字母是爲了告訴虛擬機幹啥，「oo」這幾個字母是想告訴虛擬機幹啥，「xxoo」又是表示啥，這裏先看看實際的JVM指令以及和class文件對應關係（如今的 JVM 指令有255個大約）

JVM指令表

轉化：有了思路就好辦了，轉化一下，將 JAVA 源碼轉化爲 CLASS 文件，來看看具體怎麼轉化：

1. 一個Java類對應一個class文件（有多是多個，若是類裏面有內部類），裏面有哪些東西？確定不能丟東西嘛，這是最基本的要求，若是人家明明寫的是「你綠了我嗎」，你給搞成了「你綠了我」，那這心情起伏仍是蠻大的哈。
2. Java類裏面的東西你怎麼剖析，怎麼設計存儲？

• 簡單解剖一下，class文件多是Java中的class類，也多是接口，一個class所表示的裏面還可能不止一個類和接口，得區分一下吧？ 來，敲黑板劃重點，大膽設計就是接口類型集合，普通類集合，還不止一個？再加兩個字段接口個數，類個數，一切都是這麼的完美，往class文件裏面找，我去都能找到，OK，我是天才，下一個。
• Java裏面有屬性，有方法，有常量，有字段，怎麼破？ 繼續嘛，集合搞起來，個數存起來，最終獲得了上面圖裏面的表結構的class文件。

再來回顧一下class文件內容：

3. Java類裏面有什麼東西，class文件應該存儲些什麼東西？

• 兩種數據類型：無符號數和表 無符號數屬於基本數據類型（Java類中也有基本數據類型），以 u1,u2,u4,u8這種來表明1個字節，2個字節,4個字節，8個字節的無符號數，能夠用來描述數字，索引引用，數量值或者字符串值。 表就跟Java類中的對象引用類型同樣，對象屬性能夠是基本數據類型（對應U1,U2無符號數），也能夠是其餘的對象（對應其餘的表）,Java工程項目中參數實體一般以"_Param"結尾（class文件的表都習慣以「_info」結尾）
• 上圖中的順序，就是Class文件嚴格要求的順序
• 各個計數器主要是用來描述表裏面數據個數，例如方法計數器的值是methods_count,表明方法表method——info裏面有「methods_count」個方法
• 整理一下，表結構用C語言表示相似下面的僞代碼（忽略idea報錯的紅線）

class文件代碼表示

完結撒花了？這裏我是從宏觀上講解了下.class文件，下期進行.class類文件結構詳細解析，以及字節碼指令的剖析，本篇只是個開胃菜，下一篇內容纔是主菜。 另外Java類在JVM裏面的生命週期能夠看我公衆號上一篇內容