如何學好JVM征服面試官？一篇Class 類文件結構你還不會嗎？

 

 

 

 

Java 跨平臺的基礎

各類不一樣平臺的虛擬機與全部平臺都統一使用的程序存儲格式——字節碼（ByteCode）是

構成平臺無關性的基石，也是語言無關性的基礎。Java 虛擬機不和包括 Java 在內的任何

語言綁定，它只與「Class 文件」這種特定的二進制文件格式所關聯，Class 文件中包含了

Java 虛擬機指令集和符號表以及若干其餘輔助信息。

Class 類的本質

任何一個 Class 文件都對應着惟一一個類或接口的定義信息，但反過來講，Class 文件實

際上它並不必定以磁盤文件的形式存在。

Class 文件是一組以 8 位字節爲基礎單位的二進制流。

Class 文件格式

各個數據項目嚴格按照順序緊湊地排列在 Class 文件之中，中間沒有添加任何分隔符，這

使得整個 Class 文件中存儲的內容幾乎所有是程序運行的必要數據，沒有空隙存在。

Class 文件格式採用一種相似於 C 語言結構體的僞結構來存儲數據，這種僞結構中只有兩

種數據類型：無符號數和表。

無符號數屬於基本的數據類型，以 u一、u二、u四、u8 來分別表明 1 個字節、2 個字節、4

個字節和 8 個字節的無符號數，無符號數能夠用來描述數字、索引引用、數量值或者按照

UTF-8 編碼構成字符串值。

表是由多個無符號數或者其餘表做爲數據項構成的複合數據類型，全部表都習慣性地以

「_info」結尾。表用於描述有層次關係的複合結構的數據，整個 Class 文件本質上就是一

張表。

Class 文件格式詳解

Class 的結構不像 XML 等描述語言，因爲它沒有任何分隔符號，因此在其中的數據項，無

論是順序仍是數量，都是被嚴格限定的，哪一個字節表明什麼含義，長度是多少，前後順序

如何，都不容許改變。

按順序包括：

魔數與 Class 文件的版本

每一個 Class 文件的頭 4 個字節稱爲魔數（Magic Number），它的惟一做用是肯定這個文件

是否爲一個能被虛擬機接受的 Class 文件。使用魔數而不是擴展名來進行識別主要是基於

安全方面的考慮，由於文件擴展名能夠隨意地改動。文件格式的制定者能夠自由地選擇魔

數值，只要這個魔數值尚未被普遍採用過同時又不會引發混淆便可。

緊接着魔數的 4 個字節存儲的是 Class 文件的版本號：第 5 和第 6 個字節是次版本號

（MinorVersion），第 7 和第 8 個字節是主版本號（Major Version）。Java 的版本號是從

45 開始的，JDK 1.1 以後的每一個 JDK 大版本發佈主版本號向上加 1 高版本的 JDK 能向下

兼容之前版本的 Class 文件，但不能運行之後版本的 Class 文件，即便文件格式並未發生

任何變化，虛擬機也必須拒絕執行超過其版本號的 Class 文件。

常量池

常量池中常量的數量是不固定的，因此在常量池的入口須要放置一項 u2 類型的數據，代

表常量池容量計數值（constant_pool_count）。與 Java 中語言習慣不同的是，這個容

量計數是從 1 而不是 0 開始的

常量池中主要存放兩大類常量：字面量（Literal）和符號引用（Symbolic References）。

字面量比較接近於 Java 語言層面的常量概念，如文本字符串、聲明爲 final 的常量值等。

而符號引用則屬於編譯原理方面的概念，包括了下面三類常量：

類和接口的全限定名（Fully Qualified Name）、字段的名稱和描述符（Descriptor）、方

法的名稱和描述符

訪問標誌

用於識別一些類或者接口層次的訪問信息，包括：這個 Class 是類仍是接口；是否認義爲

public 類型；是否認義爲 abstract 類型；若是是類的話，是否被聲明爲 final 等

類索引、父類索引與接口索引集合

這三項數據來肯定這個類的繼承關係。類索引用於肯定這個類的全限定名，父類索引用於

肯定這個類的父類的全限定名。因爲 Java 語言不容許多重繼承，因此父類索引只有一

個，除了 java.lang.Object 以外，全部的 Java 類都有父類，所以除了 java.lang.Object

外，全部 Java 類的父類索引都不爲 0。接口索引集合就用來描述這個類實現了哪些接口，

這些被實現的接口將按 implements 語句（若是這個類自己是一個接口，則應當是 extends

語句）後的接口順序從左到右排列在接口索引集合中

字段表集合

描述接口或者類中聲明的變量。字段（field）包括類級變量以及實例級變量。

而字段叫什麼名字、字段被定義爲何數據類型，這些都是沒法固定的，只能引用常量池

中的常量來描述。

字段表集合中不會列出從超類或者父接口中繼承而來的字段，但有可能列出本來 Java 代

碼之中不存在的字段，譬如在內部類中爲了保持對外部類的訪問性，會自動添加指向外部

類實例的字段。

方法表集合

描述了方法的定義，可是方法裏的 Java 代碼，通過編譯器編譯成字節碼指令後，存放在

屬性表集合中的方法屬性表集合中一個名爲「Code」的屬性裏面。

與字段表集合相相似的，若是父類方法在子類中沒有被重寫（Override），方法表集合中

就不會出現來自父類的方法信息。但一樣的，有可能會出現由編譯器自動添加的方法，最

典型的即是類構造器「＜clinit＞」方法和實例構造器「＜init＞」

屬性表集合

存儲 Class 文件、字段表、方法表都本身的屬性表集合，以用於描述某些場景

專有的信息。如方法的代碼就存儲在 Code 屬性表中。

字節碼指令

Java 虛擬機的指令由一個字節長度的、表明着某種特定操做含義的數字（稱爲操做碼，

Opcode）以及跟隨其後的零至多個表明此操做所需參數（稱爲操做數，Operands）而構

成。因爲限制了 Java 虛擬機操做碼的長度爲一個字節（即 0～255），這意味着指令集的操做

碼總數不可能超過 256 條。

大多數的指令都包含了其操做所對應的數據類型信息。例如：

iload 指令用於從局部變量表中加載 int 型的數據到操做數棧中，而 fload 指令加載的則是

float 類型的數據。

大部分的指令都沒有支持整數類型 byte、char 和 short，甚至沒有任何指令支持 boolean

類型。大多數對於 boolean、byte、short 和 char 類型數據的操做，實際上都是使用相應

的 int 類型做爲運算類型

閱讀字節碼做爲了解 Java 虛擬機的基礎技能，請熟練掌握。請熟悉並掌握常見指令即

可。

加載和存儲指令

用於將數據在棧幀中的局部變量表和操做數棧之間來回傳輸，這類指令包括以下內容。

將一個局部變量加載到操做棧：iload、iload_＜n＞、lload、lload_＜n＞、fload、fload_

＜n＞、dload、dload_＜n＞、aload、aload_＜n＞。

將一個數值從操做數棧存儲到局部變量表：istore、istore_＜n＞、lstore、lstore_＜n＞、

fstore、fstore_＜n＞、dstore、dstore_＜n＞、astore、astore_＜n＞。

將一個常量加載到操做數棧：bipush、sipush、ldc、ldc_w、ldc2_w、aconst_null、

iconst_m一、iconst_＜i＞、lconst_＜l＞、fconst_＜f＞、dconst_＜d＞。

擴充局部變量表的訪問索引的指令：wide。

運算或算術指令

用於對兩個操做數棧上的值進行某種特定運算，並把結果從新存入到操做棧頂。

加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd。

減法指令：isub、lsub、fsub、dsub。

乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul 等等

類型轉換指令

能夠將兩種不一樣的數值類型進行相互轉換，

Java 虛擬機直接支持如下數值類型的寬化類型轉換（即小範圍類型向大範圍類型的安全轉

換）：

int 類型到 long、float 或者 double 類型。

long 類型到 float、double 類型。

float 類型到 double 類型。

處理窄化類型轉換（Narrowing Numeric Conversions）時，必須顯式地使用轉換指令來完

成，這些轉換指令包括：i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l 和 d2f。

建立類實例的指令：

new。

建立數組的指令：

newarray、anewarray、multianewarray。

訪問字段指令：

getfield、putfield、getstatic、putstatic。

數組存取相關指令

把一個數組元素加載到操做數棧的指令：baload、caload、saload、iaload、laload、

faload、daload、aaload。

將一個操做數棧的值存儲到數組元素中的指令：bastore、castore、sastore、iastore、

fastore、dastore、aastore。

取數組長度的指令：arraylength。

檢查類實例類型的指令：

instanceof、checkcast。

操做數棧管理指令

如同操做一個普通數據結構中的堆棧那樣，Java 虛擬機提供了一些用於直接操做操做數棧

的指令，包括：將操做數棧的棧頂一個或兩個元素出棧：pop、pop2。

複製棧頂一個或兩個數值並將複製值或雙份的複製值從新壓入棧頂：dup、dup二、

dup_x一、dup2_x一、dup_x二、dup2_x2。

將棧最頂端的兩個數值互換：swap。

控制轉移指令

控制轉移指令可讓 Java 虛擬機有條件或無條件地從指定的位置指令而不是控制轉移指

令的下一條指令繼續執行程序，從概念模型上理解，能夠認爲控制轉移指令就是在有條件

或無條件地修改 PC 寄存器的值。控制轉移指令以下。

條件分支：ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、

if_icmplt、if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq 和 if_acmpne。

複合條件分支：tableswitch、lookupswitch。

無條件分支：goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret。

方法調用指令

invokevirtual 指令用於調用對象的實例方法，根據對象的實際類型進行分派（虛方法分

派），這也是 Java 語言中最多見的方法分派方式。

invokeinterface 指令用於調用接口方法，它會在運行時搜索一個實現了這個接口方法的對

象，找出適合的方法進行調用。

invokespecial 指令用於調用一些須要特殊處理的實例方法，包括實例初始化方法、私有方

法和父類方法。

invokestatic 指令用於調用類方法（static 方法）。

invokedynamic 指令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，前面 4 條調用指令的分派邏輯都固化在 Java 虛擬機內部，而 invokedynamic 指令的

分派邏輯是由用戶所設定的引導方法決定的。

方法調用指令與數據類型無關。

方法返回指令

是根據返回值的類型區分的，包括 ireturn（當返回值是 boolean、byte、char、short 和 int

類型時使用）、lreturn、freturn、dreturn 和 areturn，另外還有一條 return 指令供聲明爲

void 的方法、實例初始化方法以及類和接口的類初始化方法使用。