前言

Class文件是一组以8个字节为进出单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑的排列在文件中，中间没有任何的分隔符。当遇到占用8个字节以上空间数据项时，则会按照高位在前的方式进行分割成若干个8字节进行存储。Java文件格式采用一种类似C语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构只有两种数据类型：“无符号数”和“表”。

• 无符号数属于基本的结构类型，以u1、u2、u4、u8来分别标识1字节、2字节、4字节和8字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数字量值或者按照UTF-8编码构成的字符串值。
• 表示由多个无符号数或者其它表作为数据结构的复合数据结构，为了便于区分所有表的命名都习惯型地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的符合结构数据

下表表示Class文件的数据项按照严格的顺序排列构成

一、魔数与Class文件的版本

1.魔数

每个Class文件的头4个字节被称为魔数（Magic Number）,它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接收的Class文件。Class文件的魔数值为oxCAFEBABE(咖啡宝贝)。

2.文件版本号

紧接着魔数的是Class文件的版本号：第5和第6位是次版本号（Minor Version）,第7和第8字节是主版本好（Major Version）。java的版本号是从45开始的。JDK1.1之后每个JDK大版本发布主版本号向上加1，高版本的JDK向下兼容以前的class文件，但是虚拟机会拒绝执行超过其版本号的Class文件。次版本号直到JDK12之前都没有使用，全部固定位零。JDK12由于提供的功能已经非常庞大，一些复杂的新特性需要以“公测”的形式放出，所以设计者重新启用了副版本号，将用于标识“技术预览”功能特性的支持。如果Class文件使用了该JDK尚未列入正式特性清单中的预览功能，则必须把次版本号标识为65536，以便虚拟机在加载类文件时能够区别出来。

二、常量池

紧接着主、次版本号之后的时常量池入口，由于常量池的数量不固定，所以常量池的入口需要放置一项u2类型的数据，代表常量池容量的计数值。这个容量计数值是从1开始的，如果常量池默写数据需要表达“不引用任何一个常量池项目”的含义，可以把索引设置为0来表示。

常量池内主要放置两大类常量:

• 字面量（Literal）,比较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值。
• 符号引用（Symbolic References），主要包含以下方面：
  
  1. 被模块导出或者开放的包（Package）
  
  2. 类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
  
  3. 字段的名称和描述符（Descriptor）
  
  4. 方法名称和描述符
  
  5. 方法句柄和方法类型（Method Handle，Method Type，Invoke Dynamic）
  
  6. 动态调用点和动态常量（Dynamically-Computed Call Site，Dynamically-Computed Constant）

常量池项目类型表

常量池数据结构总表

三、访问标识

在常量池结束之后，紧接着的2个字节代表访问标志（access_flags）,这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息，包括：这个Class是可还是接口；是否定义为pub类型；是否定义为abstract类型；如果是类是否被声明为final；等等。access_flags中一共16个标志位可以使用当前定义其中的九个，没有使用到的标志位要求一律为零。访问标识如下表：

四、类索引、父类索引和接口索引集合

访问标识之后是类索引、父类索引和接口集合索引，类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示，分别指向一个类型为CONATANTS_Class_info的类描述常量符。接口索引集合，入口的第一项u2类型的数据为接口计数器（interface_count），标识索引表的容量，如果没有实现任何接口，则计数器为0，接口计数器后面是容量值数量的u2类型的索引值，每个都指向一个类型为CONATANTS_Class_info的类描述常量符。

五、字段表集合

字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量。在java语言中描述一个字段包含的信息无法固定，只能引用常量池中的常量来描述。下表描述字段表的最终格式：

access_flags字段访问标识表如下：

跟随access_flags标志是两项索引值：name_index和deacript_index，都是都是对常量池的引用，分别代表着字段的简单名称以及字段和方法的简单描述。简单名称指的是没有类型和参数修饰的方法或字段名称。描述符的作用是用来描述字段的数据类型，方法的参数列表（包括数量、类型和顺序）和返回值。

数据类型根据描述符规则，基本数据类型以及无返回的volid类型都用一个大写字符来表示，而对象类型则用字符L加对象全限定名来表示。对象类型描述符标识字符含义如下表：

对于数组类型，每一维度将使用一个前置的“[”的字符来描述。

用描述符描述方法的时候，按照先参数列表，后返回值得顺序描述，参数列表按照参数的严格额顺序放在一组小括号“（）”之内。如方法 “void inc(int a)“的描述符为”（I）V”。

descript_index之后可能跟随者一些属性表集合，用于存贮一些额外的信息，字段表可以在属性表中附加描述零至多项额外信息。属性表介绍将在后面介绍。字段表中不会列出从父类或者父类接口中继承未来的字段，但可能出现java代码中不存在的字段，例如内部类中为了保持对外部类的访问性，编译器会自动添加指向外部实例的字段。例外java语言中字段无法重载，两个字段的数据类型、修饰符不管是否相同，都必须使用不一样的名称，但是对于Class文件格式来说，只要两个字段的描述符不是完全相同，那字段的重名就是合法的。

六、方发表集合

方法表的结构如下图：

access_flags访问标识如下表：

如果父类方法在子类中没有被重写，方法表中就不会出现父类的方法信息。方法表中可能出现由编译器自动添加的方法，最常见的便是类构造器“()”方法和实例构造器“()”方法。

在Java语言中，要重载一个方法，除了要与原方法具有相同的简单名称之外，还要求必须拥有一个与原方法不同的特征签名，特征签名指的是一个方法中各个参数在常量池中的字段符号引用的集合，也正因为返回值不在特征签名之中，所以Java无法仅仅依靠返回值的不同来对一个方法重载。但是在Class文件格式之中，特征签名的范围要更大一些，只要描述符不完全一致的两个方法可以共存。也就是说，如果两个方法用相同的名称和特征签名，但返回值不同，那么也是可以合法共存于同一个Class文件中。

方法里面的Java代码，经过Javac编译器编译成字节码指令之后，存放在方法属性表集合中一个名为“Code”的属性表里面。

七、属性表集合

虚拟机规范属性表定义属性表：

1. Code属性

Code属性表结构如下：

attribute_name_index为指向CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，该值固定位“Code”。

attribute_length指属性值的长度，由于属性名称和属性索引一共6个字节，所以属性值得长度为整个属性的长度减6个字节。

max_stack代表操数栈最大的深度。

max_locals代表局部变量所需的存储空间。指的是变量槽的个数，变量槽是指局部变量分配内存所使用的最小单位。对于byte，char，float，int，short，boolean和returnAddress等长度不超过32位的数据类型，每个变量占用一个变量槽，而double和long这两种64位的数据类型需要2个变量槽。方法参数（包含隐藏参数this）、显示的异常处理参数、方法体中的局部变量都需要依赖局部变量表存放。虚拟机会将局部变量表中的变量槽进行重用，当代码执行超出一个局部变量的作用域，这个局部变量的变量槽就可以被其它局部变量所使用。

code_length和code是用来存储Java源程序编译后生成的字节码指令。code_lenth是字节码长度，code是一些列的字节流，每个指令就是一个u1类型的单元字节。u1的取值范围是0x00~0xFF，一共256个指令，目前定义了大约200个指令。code_length虽然占用u4类型的长度，实际上只用了u2的长度，如果超过这个限制，javac编译器就会拒绝编译。

如果存在异常格式如下表：

这些字段的含义是：如果当字节码start_pc行到end_pc行（不包含end_pc）出现类型为catch_type或者其子类的异常，则转到第handler_pc处进行处理。

2. Exception属性

Exception属性的作用是列举出方法中可能抛出的受查异常，也就是方法描述时在throws关键字后面列举的异常。结构如下表：

number_of_exceptions是方法可抛出异常的数量，每一种受检查的异常都是一个exception_index_table，exception_index_table是一个指向常量池中CONSTANT_Class_info的常量的索引。

3. LineNumberTable属性

描述Java源码行号与字节码行号的关系，并不是运行时必需的属性，但是默认会生成到Class文件中，可以在javac使用使用-g:none或-g:lines选项取消或生成这项信息，如果不生成LineNumberTable，抛出异常时将不显示行号，调试的时候也无法设置断点。LineNumberTable的结构如下表：

line_number_table_length是line_number_table的数量，line_number_info包含start_pc和line_number两个u2类型的数据项，前者是字节码行号，后者是Java源码行号。

4. LocalVariable及LocalVariableTypeTable属性

1. LocalVariableTable属性用于描述栈中局部变量表的变量与Java源码中定义的变量之间的关系，不是运行时必须的属性，默认生成在Class文件中，可以在javac使用-g:none或-g:vars选项来开启或取消生成这项信息。没有这个属性最大的影响是其他人引用这个方法的时，所有参数名称将会丢失、调试期间参数名称从上下文中不能获取参数的值。结构如下表：

local_variable_info代表一个栈帧与源码中局部变量的关联，结构如下：

start_pc代表局部标量的声明周期开始字节码偏移量；length局部变量覆盖范围的长度；name_index局部变量的名称；descriptor_index局部变量的描述符；index局部变量在栈帧的局部变量表中变量槽的位置。

3. LocalVariableTypeTable实在JDK5引入泛型之后增加的属性，和LocalVariable非常相似，仅把descriptor_index替换为Signature(特征签名)，由于引入泛型之后，由于描述符中的泛型的参数化类型被擦除，描述符不能准确的描述泛型类型。

5. SourceFile及SourceDebugExtension属性

SourceFile属性用于记录生成这个Class文件的源码文件名称，可选属性，可以在javac使用-g:none或-g:source选项来开启或取消生成这项信息。如果没有这个属性，抛出异常将不显示错误代码所属文件名称。属性结构如下：

sourcefile_index指向常量池中CONSTANT_Utf8_info型常量索引。

SourceDebugExtension属性结构如下：

debug_extension存储的就是额外的调试信息，是一组变常的UTF-8格式来表示的字符串。一个类中之多只允许一个该属性。

6. ConstantValue属性

ConstantValue属性是通知虚拟机自动为静态变量赋值，只有被static关键字修饰的变量才能使用。Java中对非static类型变量的赋值实在实例构造器()方法中进行。对于static变量的赋值，则有两种方式：在类构造器()方法中或者使用ConstantValue属性。Oracle公司实现的javac编译器中，如果同时使用fianl和static来修饰一个变量，并且这个变量的数据类型是基本类型或者java.lang.String的话，就将会生成ConstantValue属性来初始化。，属性结构如下：

constantvalue_index是常量池一个字面量的引用，根据类型的不同，字面量可以是CONSTANT_Long_info、CONSTANT_Float_info、CONSTANT_Double_info、CONSTANT_Integer_info、CONSTANT_String_info常量中的一种。

7. InnerClasses属性

InnerClasses属性用于记录内部类与宿主类之间的关联关系。如果一个类定义了内部类，那么编译器会将它以及它所包含的内部类生成InnerClasses属性。属性结构如下：

inner_classes_info的结构如下：

inner_class_info_index和outer_class_info_index都是指向常量池中CONSTANT_Class_info类型的常量，分别代表内部类和宿主类的符号引用。inner_name_index指向常量池CONSTANT_Utf8_info型常量的索引，代表这个内部类的名称，如果是匿名内部类，这项值为0；

inner_class_access_flags的取值范围如下表：

8. Deprecated和Synthetic属性

Deprecated和Synthetic属性都属于标志类的布尔属性，只存在有和没有的区别，没有属性值的概念。Deprecated表示某个类、字段或者方法，已经被程序作者定位不推荐使用，可以通过在代码中使用“@deprecated”注解进行设置。

Synthetic属性代表此字段或者方法并不由Java源码直接产生的，而是有编译器自动添加的。在JDK5之后也可通过ACC_SYNTHETIC设置一个类、字段或方法是由编译器产生的。

Deprecated和Synthetic属性结构如下：

其中attribute_length的值为0；

9. StackMapTable属性

StackMapTable属性在JDK6中增加到Class文件规范之中，它是一个相当复杂的变常性，位于Code属性的属性表中。这个属性会在虚拟机加载字节码验证阶段被新类型检查器使用。StackMapTable属性中包含零至多个栈映射帧（Stack Map Frame）,每个栈映射都显示或隐式地代表一个字节码的偏移量，用于标示执行到该字节码时局部变量表和操作数栈的验证类型。类型检查验证器会通过检查目标方法的局部变量表和操作数栈的验证类型。类型检查器会通过检查目标方法的局部变量和操作数栈所需要的类型来确定一段字节码指令是否符合逻辑约束。StackMapTable属性结构如下：

10. Signature属性

Signature是JDK1.5之后添加到Class文件规之中的，用于记录泛型签名信息。因为使用了类型擦除，运行期间无法使用反射获取泛型信息，可以在这个属性中获取。属性结构如下：

signature_index指向一个CONSTANT_Utf8_info结构。

11. BootstrapMethods属性

在JDK1.7中添加到Class文件中，位于类文件属性中，用于保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符。属性结构如下表：

bootstrap_method的结构如下：

bootstrap_method_ref必须是对常量池的一个有效索引，该值的结构为COSTANT_MethodHandle_info;number_bootstrap_arguments指定bootstrap_arguments的数量；bootstrap_arguments[]的每一个成员必须有一个对常量池有效的索引。且该常量池索引的结构必须为下列结构之一：CONSTANT_String_info、CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Integer_info、CONSTANT_Long_info、CONSTANT_Float_info、CONSTANT_Double_info、COSTANT_MethodHandle_info或CONSTANT_MethodType_info；

12. MethodParameters属性

MethodParameters是JDK1.8加入到Class文件中的，用于记录方法的各个形参名称和信息。MethodParameters是方法表的属性，与Code属性平级。可以运行时通过反射获取。结构属性如下表：

parameter的属性结构如下：

name_index是一个指向常量池CONSTANT_Utf8_info常量的索引值，代表该参数的名称；access_flags是参数的状态指示器，可以包含下面三种状态：

0x010（ACC_FINAL）：该参数被final修饰

0x1000(ACC_SYNTHETIC)：该参数并未出现在源文件当中，是编译器自动生成的

0x8000(ACC_MANDATED)：标识该参数实在源文件中隐式定义的，如this关键字