Understanding the JVM：类文件结构
2013-12-17
前言
Java作为一门优秀的语言，必定有它的过人之处。当初Java诞生时的口号是：
Write Once, Run Anywhere.
可见Java最大的特点在于平台无关性。我们知道，计算机只认识0和1，所以无论我们写的任何程序，最终都会被翻译成0和1组成的机器码才能被计算机识别并运行。但由于最近十年计算机各个方向技术的突飞猛进，将我们编写的程序翻译成二进制本地机器码（Native Code）已不再是唯一选择，越来越多的语言选择了与操作系统和机器指令集无关的、平台中立的格式作为程序编译后的存储格式。
那么，这么平台无关性是建立在什么基础上呢？
平台无关性实现在操作系统的应用层上。Sun公司及其虚拟机提供商发布了许多可以运行在不同平台上的虚拟机，这些虚拟机的输入都是字节码，输出则是各个平台不同的机器码。那么，只要我们使用Java编译器将源代码编译成符合虚拟机的输入规范.class文件（平台无关），虚拟机就会自动的将.class文件中的字节码翻译成本平台的机器码（平台有关）。本质上来说，是虚拟机完成了平台无关性的任务。即，通过虚拟机，屏蔽底层操作系统的差异。
在Java发展初期，发布文档时都会有Java语言规范和Java虚拟机规范，而发布Java虚拟机规范就是为了让更多语言实现平台无关性。只要其他语言的编译器将源代码编译成符合Java虚拟机规范的输入格式，就可以被虚拟机执行。比如下图：
接下来，就让我们揭开JVM平台平台无关性的入门条件——class类文件结构。
1. Class类文件结构
我大概翻了这一小节，主要是讲字节码的，就好像将IP数据报协议一样，每个字段代表什么含义、占几个字节，是非常琐碎的。所以我决定从整体上把握，先知道每个字段是什么含义。等到需要研究字节码的时候再仔细研究。
首先需要说明的是：
Class文件是一组以8个字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件中，中间没有添加任何分隔符，这使得整个Class文件中存储的内容几乎全部都是程序运行的必要数据，没有空隙存在。当遇到需要占用8个字节以上空间的数据项时，则会按照高位在前的方式分割成若干个8字节进行存储（大小端）。 根据Java虚拟机规范，Class文件采用一种类似于C语言结构体的东西来存储数据，里面有两种数据类型：
- 无符号数：是基本的数据类型，以u1/u2/u4/u8代表1字节、2字节、4字节、8字节的无符号数。用来描述数字、索引引用、数量值，或者UTF-8的字符串值
- 表：由多个无符号数或其他表作为数据项构成的复合数据类型，表习惯以_info结尾。用于描述有层次关系的复合结构的数据，比如整个Class文件本质上就是一张表
因为Class文件的结构没有任何分隔符，所以无论是顺序还是数量，都是被严格限定的，哪个字节代表什么含义，长度是多少，先后顺序如何，都不允许改变。下面就简单说明一下Class文件的结构：
- 魔数：每个Class文件的头4个字节成为魔数，唯一作用是用于确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件（其他类似的有字符编码的BOM头）。目前值为0xCAFEBABE
- 版本：紧接着魔数后4个字节为Class文件的版本号，5、6字节为次版本号，7、8字节为主版本号。
- 常量池：紧接着版本号的是常量池入口，常量池是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据结构，也是占用Class文件空间最大的数据项目之一，同时它还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目。因为常量池中常量数目不确定，所以入口是一个u2类型的数据，代表常量池容量。（从1开始计数，比如换算成十进制22，就代表有21个常量，0代表的是表达“不引用任何一个常量池项目”的意思。）
- 访问标志：紧接着常量池之后的2个字节代表访问标志，用于识别一些类或借口层次的访问信息，包括：这个Class是类还是借口；是否定义为public类型，是否定义为abstract类型；如果是类的话，是否被声明为final的等等。说白了，全是跟访问相关的数据。
- 类索引、父类索引与接口索引集合：类索引和父类索引都是u2类型的数据，而接口索引集合是一组u2类型的数据的集合，Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系。类索引用于确定这个类的全限定名，父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。然后接口索引就是implements(或者是接口extends其他接口）后的接口顺序从左到右排序在这个集合中
- 字段表集合
- 方法表集合
- 属性表集合
随着JDK的发展，Class文件结构却一直比较稳定，修修补补的主要是在访问标识、属性表这些在设计上本就可以扩展的数据结构中添加内容。
2. 小结
Class文件是Java虚拟机的入口，本章讲了Class文件结构中的各个组成部分，以及每个部分的定义、数据结构和使用方法。
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