深入理解Java Class文件格式

Posted 2020-08-24

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了深入理解Java Class文件格式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

前情回顾

本专栏的前几篇博文，对class文件中的常量池进行了详细的解释。前文讲解了常量池中的7种数据项，它们分别是：

CONSTANT_Utf8_info
CONSTANT_NameAndType_info
CONSTANT_Integer_info
CONSTANT_Float_info
CONSTANT_Long_info
CONSTANT_Double_info
CONSTANT_String_info

关于这七种数据项，前面的文章已经讲得很详细了，不了解的同学请先参阅前面的博文。此外，如果想要全面的了解JVM和Class文件格式，建议按顺序阅读我专栏中的博客。此外，本文是建立在前几篇博客的基础之上的，是接着前面的的博客写的，所以，同样建议先阅读专栏前面的博客，以保证知识的完整性。

常量池中各数据项类型详解（续）

（8） CONSTANT_Class_info

常量池中的一个CONSTANT_Class_info，可以看做是CONSTANT_Class数据类型的一个实例。他是对类或者接口的符号引用。它描述的可以是当前类型的信息，也可以描述对当前类的引用，还可以描述对其他类的引用。也就是说，如果访问了一个类字段，或者调用了一个类的方法，对这些字段或方法的符号引用，必须包含它们所在的类型的信息， CONSTANT_Class_info就是对字段或方法符号引用中类型信息的描述。

CONSTANT_Class_info的第一个字节是tag，值为7，也就是说，当虚拟机访问到一个常量池中的数据项，如果发现它的tag值为7，就可以判断这是一个CONSTANT_Class_info 。 tag下面的两个字节是一个叫做name_index的索引值，它指向一个CONSTANT_Utf8_info，这个CONSTANT_Utf8_info中存储了CONSTANT_Class_info要描述的类型的全限定名。全限定名的概念在前面的博文深入理解Java Class文件格式（二）中将结果，不熟悉的同学可以先阅读这篇文章。

此外要说明的是， java中数组变量也是对象，那么数组也就有相应的类型，并且数组的类型也是使用CONSTANT_Class_info描述的，并且数组类型和普通类型的描述有些区别。普通类型的CONSTANT_Class_info中存储的是全限定名，而数组类型对应的CONSTANT_Class_info中存储的是数组类型相对应的描述符字符串。举例说明：

与Object类型对应的CONSTANT_Class_info中存储的是： java/lang/Object

与Object[]类型对应的CONSTANT_Class_info中存储的是： [Ljava/lang/Object;

下面看CONSTANT_Class_info的存储布局：

例如，如果在一个类中引用了System这个类，那么就会在这个类的常量池中出现以下信息：

（9） CONSTANT_Fieldref_info

常量池中的一个CONSTANT_Fieldref_info，可以看做是CONSTANT_Field数据类型的一个实例。该数据项表示对一个字段的符号引用，可以是对本类中的字段的符号引用，也可以是对其他类中的字段的符号引用，可以是对成员变量字段的符号引用，也可以是对静态变量的符号引用, 其中ref三个字母就是reference的简写。之前的文章中， “符号引用”这个名词出现了很多次，可能有的同学一直不是很明白，等介绍完CONSTANT_Fieldref_info，就可以很清晰的了解什么是符号引用。下面分析CONSTANT_Fieldref_info中的内容都存放了什么信息。

和其他类型的常量池数据项一样，它的第一个字节也必然是tag，它的tag值为9 。也就是说，当虚拟机访问到一个常量池中的一项数据，如果发现这个数据的tag值为9，就可以确定这个被访问的数据项是一个CONSTANT_Fieldref_info，并且知道这个数据项表示对一个字段的符号引用。

tag值下面的两个字节是一个叫做class_index的索引值，它指向一个CONSTANT_Class_info数据项，这个数据项表示被引用的字段所在的类型，包括接口。所以说， CONSTANT_Class_info可以作为字段符号引用的一部分。

class_index以下的两个字节是一个叫做name_and_type_index的索引，它指向一个CONSTANT_NameAndType_info，这个CONSTANT_NameAndType_info前面的博客中已经解释过了，不明白的朋友可以先看前面的博客：深入理解Java Class文件格式（三）。这个CONSTANT_NameAndType_info描述的是被引用的字段的名称和描述符。我们在前面的博客中也提到过， CONSTANT_NameAndType_info可以作为字段符号引用的一部分。

到此，我们可以说， CONSTANT_Fieldref_info就是对一个字段的符号引用，这个符号引用包括两部分，一部分是该字段所在的类，另一部分是该字段的字段名和描述符。这就是所谓的 “对字段的符号引用” 。

下面结合实际代码来说明，代码如下：

package com.jg.zhang;
public class TestInt {
int a = 10;
void print(){
System.out.println(a);
}
}

在print方法中，引用了本类中的字段a。代码很简单，我们一眼就可以看到print方法中是如何引用本类中定义的字段a的。那么在class文件中，对字段a的引用是如何描述的呢？下面我们将这段代码使用javap反编译，给出简化后的反编译结果：

Constant pool:
#1 = Class #2 // com/jg/zhang/TestInt
#2 = Utf8 com/jg/zhang/TestInt
......
#5 = Utf8 a
#6 = Utf8 I
......
#12 = Fieldref #1.#13 // com/jg/zhang/TestInt.a:I
#13 = NameAndType #5:#6 // a:I
......
{
void print();
flags:
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #19 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: aload_0
4: getfield #12 // Field a:I
7: invokevirtual #25 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
10: return
}

可以看到， print方法的位置为4的字节码指令getfield引用了索引为12的常量池数据项，常量池中索引为12的数据项是一个CONSTANT_Fieldref_info，这个CONSTANT_Fieldref_info又引用了索引为1和13的两个数据项，索引为1的数据项是一个CONSTANT_Class_info，这个CONSTANT_Class_info数据项又引用了索引为2的数据项，索引为2的数据项是一个CONSTANT_Utf8_info , 他存储了字段a所在的类的全限定名com/jg/zhang/TestInt 。而CONSTANT_Fieldref_info所引用的索引为13的数据项是一个CONSTANT_NameAndType_info，它又引用了两个数据项，分别为第5项和第6项，这是两个CONSTANT_Utf8_info ，分别存储了字段a的字段名a，和字段a的描述符I 。

下面给出内存布局图，这个图中涉及的东西有点多，因为CONSTANT_Fieldref_info引用了CONSTANT_Class_info和CONSTANT_NameAndType_info， CONSTANT_Class_info又引用了一个CONSTANT_Utf8_info ，而CONSTANT_NameAndType_info又引用了两个CONSTANT_Utf8_info 。

（10） CONSTANT_Methodref_info

常量池中的一个CONSTANT_Methodref_info，可以看做是CONSTANT_Methodref数据类型的一个实例。该数据项表示对一个类中方法的符号引用，可以是对本类中的方法的符号引用，也可以是对其他类中的方法的符号引用，可以是对成员方法字段的符号引用，也可以是对静态方法的符号引用,但是不会是对接口中的方法的符号引用。其中ref三个字母就是reference的简写。在上一小节中介绍了CONSTANT_Fieldref_info，它是对字段的符号引用，本节中介绍的CONSTANT_Methodref_info和CONSTANT_Fieldref_info很相似。既然是符号“引用”，那么只有在原文件中调用了一个方法，常量池中才有和这个被调用方法的相对应的符号引用，即存在一个CONSTANT_Methodref_info。如果只是在类中定义了一个方法，但是没调用它，则不会在常量池中出现和这个方法对应的CONSTANT_Methodref_info 。

和其他类型的常量池数据项一样，它的第一个字节也必然是tag，它的tag值为10 。也就是说，当虚拟机访问到一个常量池中的一项数据，如果发现这个数据的tag值为10，就可以确定这个被访问的数据项是一个CONSTANT_Methodref_info，并且知道这个数据项表示对一个方法的符号引用。

tag值下面的两个字节是一个叫做class_index的索引值，它指向一个CONSTANT_Class_info数据项，这个数据项表示被引用的方法所在的类型。所以说， CONSTANT_Class_info可以作为方法符号引用的一部分。

class_index以下的两个字节是一个叫做name_and_type_index的索引，它指向一个CONSTANT_NameAndType_info，这个CONSTANT_NameAndType_info前面的博客中已经解释过了，不明白的朋友可以先看前面的博客：深入理解Java Class文件格式（三）。这个CONSTANT_NameAndType_info描述的是被引用的方法的名称和描述符。我们在前面的博客中也提到过， CONSTANT_NameAndType_info可以作为方法符号引用的一部分。

到此，我们可以知道， CONSTANT_Methodref_info就是对一个字段的符号引用，这个符号引用包括两部分，一部分是该方法所在的类，另一部分是该方法的方法名和描述符。这就是所谓的 “对方法的符号引用” 。

下面结合实际代码来说明，代码如下：

package com.jg.zhang;
public class Programer {
Computer computer;
public Programer(Computer computer){
this.computer = computer;
}
public void doWork(){
computer.calculate();
}
}

package com.jg.zhang;
public class Computer {
public void calculate() {
System.out.println("working...");
}
}

上面的代码包括两个类，其中Programer类引用了Computer类，在Programer类的doWork方法中引用（调用）了Computer类的calculate方法。源码中对一个方法的描述形式我们再熟悉不过了，现在我们就反编译Programer，看看Programer中对Computer的doWork方法的引用，在class文件中是如何描述的。

下面给出Programer的反编译结果，其中省去了一些不相关的信息：

Constant pool:
.........
#12 = Utf8 ()V
#20 = Methodref #21.#23 // com/jg/zhang/Computer.calculate:()V
#21 = Class #22 // com/jg/zhang/Computer
#22 = Utf8 com/jg/zhang/Computer
#23 = NameAndType #24:#12 // calculate:()V
#24 = Utf8 calculate
{
com.jg.zhang.Computer computer;
flags:
.........
public void doWork();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield #13 // Field computer:Lcom/jg/zhang/Computer;
4: invokevirtual #20 // Method com/jg/zhang/Computer.calculate:()V
7: return
}

可以看到， doWork方法的位置为4的字节码指令invokevirtual引用了索引为20的常量池数据项，常量池中索引为20的数据项是一个CONSTANT_Methodref_info，这个CONSTANT_Methodref_info又引用了索引为21和23的两个数据项，索引为21的数据项是一个CONSTANT_Class_info，这个CONSTANT_Class_info数据项又引用了索引为22的数据项，索引为22的数据项是一个CONSTANT_Utf8_info , 他存储了被引用的Computer类中的calculate方法所在的类的全限定名com/jg/zhang/Computer 。而CONSTANT_Methodref_info所引用的索引为23的数据项是一个CONSTANT_NameAndType_info，它又引用了两个数据项，分别为第24项和第12项，这是两个CONSTANT_Utf8_info ，分别存储了被引用的方法calculate的方法名calculate，和该方法的描述符()V 。

下面给出内存布局图，这个图中涉及的东西同样有点多，因为CONSTANT_Methodref_info引用了CONSTANT_Class_info和CONSTANT_NameAndType_info， CONSTANT_Class_info又引用了一个CONSTANT_Utf8_info ，而CONSTANT_NameAndType_info又引用了两个CONSTANT_Utf8_info 。

（11） CONSTANT_InterfaceMethodref_info

常量池中的一个CONSTANT_InterfaceMethodref_info，可以看做是CONSTANT_InterfaceMethodref数据类型的一个实例。该数据项表示对一个接口方法的符号引用，不能是对类中的方法的符号引用。其中ref三个字母就是reference的简写。在上一小节中介绍了CONSTANT_Methodref_info，它是对类中的方法的符号引用，本节中介绍的CONSTANT_InterfaceMethodref和CONSTANT_Methodref_info很相似。既然是符号“引用”，那么只有在原文件中调用了一个接口中的方法，常量池中才有和这个被调用方法的相对应的符号引用，即存在一个CONSTANT_InterfaceMethodref。如果只是在接口中定义了一个方法，但是没调用它，则不会在常量池中出现和这个方法对应的CONSTANT_InterfaceMethodref 。

和其他类型的常量池数据项一样，它的第一个字节也必然是tag，它的tag值为11 。也就是说，当虚拟机访问到一个常量池中的一项数据，如果发现这个数据的tag值为11，就可以确定这个被访问的数据项是一个CONSTANT_InterfaceMethodref，并且知道这个数据项表示对一个接口中的方法的符号引用。

tag值下面的两个字节是一个叫做class_index的索引值，它指向一个CONSTANT_Class_info数据项，这个数据项表示被引用的方法所在的接口。所以说， CONSTANT_Class_info可以作为方法符号引用的一部分。

class_index以下的两个字节是一个叫做name_and_type_index的索引，它指向一个CONSTANT_NameAndType_info，这个CONSTANT_NameAndType_info前面的博客中已经解释过了，不明白的朋友可以先看前面的博客：深入理解Java Class文件格式（三）。这个CONSTANT_NameAndType_info描述的是被引用的方法的名称和描述符。我们在前面的博客中也提到过， CONSTANT_NameAndType_info可以作为方法符号引用的一部分。

到此，我们可以知道， CONSTANT_InterfaceMethodref就是对一个接口中的方法的符号引用，这个符号引用包括两部分，一部分是该方法所在的接口，另一部分是该方法的方法名和描述符。这就是所谓的 “对接口中的方法的符号引用” 。

下面结合实际代码来说明，代码如下：

package com.jg.zhang;
public class Plane {
IFlyable flyable;
void flyToSky(){
flyable.fly();
}
}

package com.jg.zhang;
public interface IFlyable {
void fly();
}

在上面的代码中，定义可一个类Plane，在这个类中有一个IFlyable接口类型的字段flyable，然后在Plane的flyToSky方法中调用了IFlyable中的fly方法。这就是源代码中对一个接口中的方法的引用方式，下面我们反编译Plane，看看在class文件层面，对一个接口中的方法的引用是如何描述的。

下面给出反编译结果，为了简洁期间，省略了一些不相关的内容：

Constant pool:
.........
#8 = Utf8 ()V
#19 = InterfaceMethodref #20.#22 // com/jg/zhang/IFlyable.fly:()V
#20 = Class #21 // com/jg/zhang/IFlyable
#21 = Utf8 com/jg/zhang/IFlyable
#22 = NameAndType #23:#8 // fly:()V
#23 = Utf8 fly
{
.........
com.jg.zhang.IFlyable flyable;
flags:
.........
void flyToSky();
flags:
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield #17 // Field flyable:Lcom/jg/zhang/IFlyable;
4: invokeinterface #19, 1 // InterfaceMethod com/jg/zhang/IFlyable.fly:()V
9: return
}

可以看到， flyToSky方法的位置为4的字节码指令invokeinterface引用了索引为19的常量池数据项，常量池中索引为19的数据项是一个CONSTANT_InterfaceMethodref_info，这个CONSTANT_InterfaceMethodref_info又引用了索引为20和22的两个数据项，索引为20的数据项是一个CONSTANT_Class_info，这个CONSTANT_Class_info数据项又引用了索引为21的数据项，索引为21的数据项是一个CONSTANT_Utf8_info , 他存储了被引用的方法fly所在的接口的全限定名com/jg/zhang/IFlyable 。而CONSTANT_InterfaceMethodref_info所引用的索引为22的数据项是一个CONSTANT_NameAndType_info，它又引用了两个数据项，分别为第23项和第8项，这是两个CONSTANT_Utf8_info ，分别存储了被引用的方法fly的方法名fly，和该方法的描述符()V 。

下面给出内存布局图，这个图中涉及的东西同样有点多，因为CONSTANT_InterfaceMethodref_info引用了CONSTANT_Class_info和CONSTANT_NameAndType_info， CONSTANT_Class_info又引用了一个CONSTANT_Utf8_info ，而CONSTANT_NameAndType_info又引用了两个CONSTANT_Utf8_info 。

总结

到此为止， class文件中的常量池部分就已经讲解完了。进行一下总结。对于深入理解Java和JVM ，理解class文件的格式至关重要，而在class文件中，常量池是一项非常重要的信息。常量池中有11种数据项，这个11种数据项存储了各种信息，包括常量字符串，类的信息，方法的符号引用，字段的符号引用等等。常量池中的数据项通过索引来访问，访问形式类似于数组。常量池中的各个数据项之前会通过索引相互引用， class文件的其他地方也会引用常量池中的数据项，如方法的字节码指令。

在下面的文章中，会继续介绍class文件中，位于常量池以下的其他信息。这些信息包括：对本类的描述，对父类的描述，对实现的接口的描述，本类中声明的字段的描述，本类汇总定义的方法的描述，还有各种属性。

以上是关于深入理解Java Class文件格式的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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深入理解Java虚拟机04--类结构文件

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