你管這叫 class？

本文來自微信公眾號：低并發(fā)編程 （ID：dibingfa），作者：閃客

我是一個(gè) .java 文件，名叫 FlashObject.java，叫我小渣就行。

public class FlashObject {

    private String name;
    private int age;
    
    public String getName() {
        return name;
    }

    public int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

}

我馬上就要被 JVM 虛擬機(jī)老大加載并運(yùn)行了，此時(shí)老虛走了過來。

老虛：小渣呀，我馬上就要把你載了，你先瘦身一下，別占太大地方。

小渣：好的，沒問題，等我十秒鐘。

public class FlashObject{private String name;private int age;public int add(int a,int b){return a+b;}

小渣：老虛，我瘦身好了，你看看。

老虛：...，你是不是有病。

小渣：怎么了，我把沒用的空格和回車啥的都去掉了，瘦身了好多呢！

老虛：行吧，看你這智商，我就給你解釋解釋。你現(xiàn)在仍然是個(gè)文本文件，讓你瘦身是讓你定一個(gè)緊湊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示你這個(gè) Java 文件里的信息，然后告訴我這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中每個(gè)字節(jié)都代表什么。

小渣：哦哦，這樣啊。

老虛：對啊，這樣一是方便我去加載，二是我這個(gè)虛擬機(jī)可不只是為你 Java 語言服務(wù)的，還有很多語言最終都可以轉(zhuǎn)換為我虛擬機(jī)識(shí)別的，你得設(shè)計(jì)一個(gè)通用的格式。

小渣：嗯嗯，這回我明白啦！

1 類信息

我的類名叫 FlashObject。

先找個(gè)地方把它存起來，放開頭吧。

嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈矣窒氲?，這個(gè)類應(yīng)該還有其父類。

雖然這個(gè) .java 文件中沒寫，但也有其默認(rèn)父類，Object。

當(dāng)然，我們得記錄下全類名

java/lang/Object

記在哪里呢？就緊跟在類名后面吧。

誒不對，我這個(gè)類名呀，父類名呀，都是變長的，這樣緊挨著放，誰知道分界點(diǎn)在哪。

不行不行，得分別在前面加個(gè)長度，就用兩字節(jié)表示吧。

除了父類之外，還有接口名呢！雖然我們這個(gè)類沒寫，但也得定義出來。

這個(gè)接口，和類名以及父類名稍有不同，因?yàn)榭赡苡卸鄠€(gè)。

但這不是事兒，先占用兩個(gè)字節(jié)，表示接口的數(shù)量即可，之后一個(gè)一個(gè)的接口名仍然像上面那樣緊挨著排布。

嗯，完美。

2 常量池

慢慢地，我發(fā)現(xiàn)需要字符串名字的地方越來越多。

除了剛剛的類名、父類名、接口名，還有屬性名、方法名、屬性的類名、方法的入?yún)㈩愋兔⒎祷刂殿愋兔?，等等等等?/p>

一方面，要是每個(gè)都這么展開寫下去，那文件格式會(huì)很亂，很多結(jié)構(gòu)都是變長的。

另一方面，很多字符串都是重復(fù)的，比如屬性 name 的類名 String，與方法 getName 的返回值類名 String，重復(fù)寫兩遍，就浪費(fèi)了空間。

因此，我決定，之前的方案作廢，設(shè)計(jì)一個(gè)新的結(jié)構(gòu)來統(tǒng)一存儲(chǔ)這些字符串，我給他起名為常量池。

每個(gè)字符串都有一個(gè)索引與之對應(yīng)，這個(gè)是可以計(jì)算出來的，不需要額外的字段。

這樣，剛剛的類、父類、接口，就都可以指向這個(gè)索引了，也因此可以將長度固定下來。

當(dāng)然，現(xiàn)在這個(gè)常量池，僅僅存放了字符串。

不難想到，還可能有整型、浮點(diǎn)型的值作為常量，甚至還有可能是個(gè)引用類型，然后這個(gè)引用類型再次指向常量池中的一個(gè)索引，有點(diǎn)像指針的指針。

那這么多類型，必然就還需要一個(gè)記錄類型信息的地方，看來我們得將之前的設(shè)計(jì)改改。

這樣，我們的常量池，就不單單可以存儲(chǔ)簡單的字符串常量了，而是可以根據(jù)不同類型，存儲(chǔ)與其相對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的值。

當(dāng)然，我們常量池的整體結(jié)構(gòu)還是不變的，只不過里面是類型豐富的結(jié)構(gòu)。

同樣，我們的整個(gè)設(shè)計(jì)，也沒有因?yàn)槌Ａ砍氐男「膭?dòng)，受到影響。

OK，總結(jié)一下我們目前的整體方案。

開頭存常量池，之后需要的常量就全往這里放，用一個(gè)索引指向它即可。

緊接著存放類本身的相關(guān)信息，我們存放了當(dāng)前類、父類以及接口的信息。

看來老虛要求的瘦身工作，已經(jīng)初具規(guī)模啦。

3 變量

現(xiàn)在類本身的信息，已經(jīng)找到合適的位置存放起來了，接下來我們存變量。

變量也可能有多個(gè)，所以結(jié)構(gòu)依然仿照我們之前的思路，開頭存數(shù)量，后面緊跟著各個(gè)存放變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

至于變量用什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存，是不是定長的，那就是我們接下來要設(shè)計(jì)的了。

我們把其中一個(gè)變量拿出來，看看它有什么？

private String name;

非常清晰，private 這部分是變量的標(biāo)記，String 是變量類型，name 是變量名字。

先看標(biāo)記部分

除了 private，還有 public、protected、static、final、volatile、transient 等，有的可以放在一起，比如

public static final String name；

有的不能放在一起，比如

public private String name; //錯(cuò)誤

我們用位圖的方式，每一個(gè)標(biāo)記用一個(gè)位來表示（比如 public 在第一個(gè)位，private 在第二個(gè)位，static 在第四個(gè)位，final 在第五個(gè)位...），這樣不論如何排列組合，最終的值都是不一樣的。

我們把這些標(biāo)記所對應(yīng)的值，都設(shè)計(jì)并記錄下來。

復(fù)合型的標(biāo)記，就可以表現(xiàn)為將其相加，比如 public static，就是 0x0001 + 0x0008 = 0x0009。

而這樣的賦值方式，不同排列組合后的和沒有重復(fù)的，且也能根據(jù)值很方便地反推出標(biāo)記。

不錯(cuò)不錯(cuò)，就這樣了。

哦對了，類信息本身也有 public 呀 private 這些標(biāo)記屬性，剛剛記錄類信息的時(shí)候忘了，先加上它，免得一會(huì)忘了！

再看類型部分

當(dāng)前類型為 String，屬于一個(gè)引用數(shù)據(jù)類型中的類類型。

private String name;

除此之外，還有八個(gè)基本數(shù)據(jù)類型，和引用類型中的數(shù)組類型。

為了占用更少的空間，我們將其用最少的符號來表示。

這里的基本數(shù)據(jù)類型，和數(shù)組類型，都只占用一個(gè) char 來表示，就只占了 1 個(gè)字節(jié)。

如果是類，則占用了 L 和； 兩個(gè)字節(jié)，再加上全類名所占的字節(jié)數(shù)。

比如這里的 String 類型，用符號表示，就是

Ljava/lang/String;

但注意，這里的符號，也都可以存放在常量池中，而我們的變量結(jié)構(gòu)中的類型描述符部分，只需要一個(gè)常量池索引即可。

ok，第二部分也搞定了。

再看名字部分

名字部分沒什么好說的，相信你直接能猜到了，直接上圖。

OK，兩字節(jié)的標(biāo)記、兩字節(jié)的類型描述符、兩字節(jié)的變量名稱，這個(gè)就是我們一個(gè)變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

把它放到我們最終的總視圖里。

搞定！

4 方法

方法也可能會(huì)有很多，我目前只有兩個(gè)方法，我們拿 add 方法來分析。

public int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

當(dāng)然更準(zhǔn)確地說，我還有個(gè)沒寫出來的構(gòu)造方法。

總之，可能會(huì)有很多。

不過有了設(shè)計(jì)變量的經(jīng)驗(yàn)，方法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很快就有了雛形。

標(biāo)記部分，和變量標(biāo)記部分的思路一樣，值也差不多，我們也給他們賦上值就好了。

方法描述符，說的是方法的入?yún)⑴c返回值，比如我們的：

int add(int a, int b);

入?yún)⑴c返回值的類型符號表示，與上面變量類型的符號表示完全一樣，只不過多了一個(gè) void 類型。

由于有多個(gè)參數(shù)類型，所以要定一個(gè)整體的格式，而整個(gè)描述符的格式為：

(參數(shù) 1 類型 參數(shù) 2 類型 ...) 返回值類型

比如我們的

int add(int a, int b);

就表示為

(II)I

是不是非常精簡了？同樣，這也是個(gè)字符串，也可以存儲(chǔ)在常量池里，就不再贅述。

（至于參數(shù) a 和 b 這個(gè)名字，不需要保存起來，實(shí)際上在轉(zhuǎn)換的字節(jié)碼以及實(shí)際虛擬機(jī)中運(yùn)行時(shí)，只需要知道局部變量表中的位置即可，叫什么名字都無所謂）

方法名稱，我們再熟悉不過了，放常量池！

ok，前三個(gè)說完了。最后一個(gè)，就有意思了。

代碼、異常、注解等。可以看到，有相當(dāng)多的信息需要記錄。

比如我寫這樣的方法。

@RequestMing()
public String function(String a) throws Exception {
    return a;
}

那就會(huì)有代碼部分、異常、注解等需要錄入的信息。

但似乎除了代碼部分之外，其他部分都不是每個(gè)方法都有的，如果都定義出來，豈不是浪費(fèi)空間，那怎么辦呢？

我們效仿常量池的做法，把這些部分都叫“方法的屬性”，一個(gè)方法可能有多個(gè)屬性，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下。

這樣，方法具有哪些屬性，按需添加進(jìn)來就好，如果不需要這個(gè)屬性，也不用浪費(fèi)空間，完美！

回過頭看我們的這個(gè)方法。

public int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

剛剛方法簽名部分已經(jīng)都解決了，只剩下代碼

return a + b;

這個(gè)要怎樣存放呢？

之前聽老虛說過，JVM 識(shí)別的是一種叫字節(jié)碼的東西，所以我要把 Java 語言寫出的代碼，轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼。

這部分很復(fù)雜，就不展開說我的過程了，經(jīng)過一番努力后，我把這一行簡簡單單的代碼轉(zhuǎn)換為了字節(jié)碼。

1B 1C 60 AC

一共占四個(gè)字節(jié)。

我把這四個(gè)字節(jié)，就放在剛剛代碼類型的屬性中。

ok，大功告成。

回過頭，我們將之前的方法部分補(bǔ)充完整。

再將這個(gè)結(jié)構(gòu)，添加到我們?nèi)纸Y(jié)構(gòu)中。

完美！

5、class

我把我轉(zhuǎn)換為了這樣的結(jié)構(gòu)，并帶著這個(gè)最終的設(shè)計(jì)稿，去找了老虛。

老虛：嗯！還真不賴！

小渣：那當(dāng)然，我可是研究了好久呢。

老虛：不過，我再給你改改，在開頭加些東西把。

小渣：老虛，你這加的是啥呀？

老虛：一看你就沒經(jīng)驗(yàn)。

魔數(shù)一般用來識(shí)別這個(gè)文件的格式，通過文件名后綴的方式不靠譜，一般有格式的文件都會(huì)有個(gè)魔數(shù)的。

后面兩個(gè)用來標(biāo)識(shí)一下版本號，不同版本可能數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和支持的功能不一樣，這個(gè)今后會(huì)有用的！

小渣：原來如此，還是你老虛見多識(shí)廣?？墒悄阏f用來識(shí)別這個(gè)文件的格式，我這個(gè)文件是啥呀？

老虛：你這個(gè)破玩意，就叫它 class 文件吧！

FlashObject.class

后記

根據(jù) Java 虛擬機(jī)規(guī)范，Java Virtual Machine Specification Java SE 8 Edition，一個(gè) class 文件的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，是這樣的。

ClassFile {
    u4             magic;
    u2             minor_version;
    u2             major_version;
    u2             constant_pool_count;
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];
    u2             access_flags;
    u2             this_class;
    u2             super_class;
    u2             interfaces_count;
    u2             interfaces[interfaces_count];
    u2             fields_count;
    field_info     fields[fields_count];
    u2             methods_count;
    method_info    methods[methods_count];
    u2             attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

我們的設(shè)計(jì)與它幾乎相同。

只有后兩項(xiàng)，我們沒有涉及到，本身也不是重點(diǎn)。

常量池中的類型，有以下幾種。

如果想了解 class 文件的全部細(xì)節(jié)，最好的辦法就是閱讀官方文檔，也就是 Java 虛擬機(jī)規(guī)范的第四部分。

Chapter 4. The class File Format

這里的鏈接可以直接定位：

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.3.2

不要覺得官方文檔晦澀難懂，這個(gè)部分還是非常清晰明了的，大多數(shù)博客基本上對格式的講解都缺斤少兩，而且說得也不形象，還不如直接閱讀官方文檔呢。

還有一個(gè)好的方式，就是直接觀察 class 文件的二進(jìn)制結(jié)構(gòu)解析，這里推薦一個(gè)工具

classpy

用這個(gè)工具打開一個(gè) class 文件，是這個(gè)樣子。

左邊解析好的樹型結(jié)構(gòu)，可以直接和右邊的 class 文件的二進(jìn)制內(nèi)容相對應(yīng)，非常好用。

最后，希望大家找時(shí)間用這個(gè)工具分析一個(gè)復(fù)雜的 class 文件，會(huì)很有幫助的。祝大家學(xué)會(huì) class 文件。

完~

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