Class 類文件結構
本文部分摘自《深入理解 Java 虛擬機第三版》
概述
我們知道，Java 具有跨平台性，其實現基礎就是虛擬機和位元組碼存儲格式。Java 虛擬機不與 Java 語言綁定，只與 Class 文件所關聯。Java 虛擬機作為一個通用的、與機器無關的執行平台，任何語言都可以將 Java 虛擬機作為它們的運行基礎，以 Class 文件作為它們產品的交付媒介。
Class 文件是一組以 8 個位元組為基礎單位的二進位流，各個數據項目嚴格按照順序緊湊地排列在文件之中，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全部是程式運行的必要數據。當遇到需佔用 8 個位元組以上空間的數據項時，則會按照高位在前的方式分割成若干個 8 個位元組進行存儲。
Class 文件中有兩種數據類型，分別是無符合數和表：
- 無符號數屬於基本數據類型，以 u1、u2、u4、u8 來分別代表 1 個位元組、2 個位元組、4 個位元組和 8 個位元組的無符號數，無符號數可以用來描述數字、索引引用、數量值或 UTF-8 編碼構成字元串值
- 表是由多個無符號數或其他表作為數據項構成的複合數據類型，一般以 _info 結尾。表用於描述有層次關係的複合結構的數據，整個 Class 文件本質上也可以視作是一張表
無論是無符號數還是表，當需要描述同一類型但數量不定的多個數據時，經常會使用一個前置的容量計數器加若干個連續的數據項的形式，這時候稱這一系列連續的某一類型的數據為某一類型的集合。
下面是 Class 文件格式：
| 類型 | 名稱 | 數量 |
| u4 | magic | 1 |
| u2 | minor_version | 1 |
| u2 | major_version | 1 |
| u2 | constant_pool_count | 1 |
| cp_info | constant_pool | constant_pool_count – 1 |
| u2 | access_flags | 1 |
| u2 | this_class | 1 |
| u2 | super_class | 1 |
| u2 | interfaces_count | 1 |
| u2 | interfaces | interfaces_count |
| u2 | fields_count | 1 |
| field_info | fields | fields_count |
| u2 | methods_count | 1 |
| method_info | methods | methods_count |
| u2 | attribute_count | 1 |
| attribute_info | attributes | attributes_count |
魔數和 Class 文件版本
Class 文件的頭 4 個位元組被稱為魔數（Magic Number），它的唯一作用是確定該 Class 文件是否能被虛擬機接受，其值為 0xCAFEBABE（咖啡寶貝）。
緊接著魔數的 4 個位元組存儲的是 Class 文件的版本號：第 5 和第 6 個位元組是次版本號（Minor Version），第 7 和第 8 個位元組是主版本號（Major Version）。Java 版本號從 45 開始，以後每個 JDK 大版本發布則主版本號加 1。高版本的 JDK 能向下兼容以前版本的 Class 文件，但不能運行以後版本的 Class 文件。
常量池
緊接著主、次版本號的是常量池入口，常量池入口需要放置一項 u2 類型的數據，代表常量池容量計數值（constant_pool_count），這個容量計數是從 1 而不是從 0 開始，第 0 項用於表達「不引用任何一個常量池項目」的含義。Class 文件結構中只有常量池的容量計數是從 1 開始，其他都是從 0 開始。
常量池中主要存放兩大類常量：字面量和符號引用。字面量比較接近 Java 語言層面的常量概念，如文本字元串、被聲明為 final 的常量值等。而符號引用則屬於編譯原理方面的概念，主要包括下面幾類常量：
- 被模組導出或開放的包（Package）
- 類和介面的全限定名（Fully Qualified Name）
- 欄位的名稱和描述符（Descriptor）
- 方法的名稱和描述符
- 方法句柄和方法類型（Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic）
- 動態調用點和動態常量（Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant）
Java 會在虛擬機載入 Class 文件的時候進行動態連接，將符號引用轉換為真正的記憶體入口。常量池中每一項常量都是一個表，最初有 11 種結構不同的表結構數據，後來為了更好地支援動態語言調用，額外增加了 4 種動態語言相關的常量，後來為了支援 Java 模組化，又加入了 2 個常量，所以截止 JDK13，常量表中有 17 種不同類型的常量。這 17 類表都有一個共同的特點，表結構起始的第一位是個 u1 類型的標誌位（tag）
17 種常量類型所代表的具體含義如表：
| 類型 | 標誌 | 描述 |
| CONSTANT_Utf8_info | 1 | UTF-8 編碼的字元串 |
| CONSTANT_Integer_info | 3 | 整型字面量 |
| CONSTANT_Float_info | 4 | 浮點型字面量 |
| CONSTANT_Long_info | 5 | 長整型型字面量 |
| CONSTANT_Double_info | 6 | 雙精度浮點型字面量 |
| CONSTANT_Class_info | 7 | 類或介面的符號引用 |
| CONSTANT_String_info | 8 | 字元串類型字面量 |
| CONSTANT_Fieldref_info | 9 | 欄位的符號引用 |
| CONSTANT_Methodref_info | 10 | 類中方法的符號引用 |
| CONSTANT_InterfaceMethodref_info | 11 | 介面中方法的符號引用 |
| CONSTANT_NameAndType_info | 12 | 欄位或方法的部分符號引用 |
| CONSTANT_MethodHandle_info | 15 | 表示方法句柄 |
| CONSTANT_MethodType_info | 16 | 表示方法類型 |
| CONSTANT_Dynamic_info | 17 | 表示一個動態計算常量 |
| CONSTANT_InvokeDynamic_info | 18 | 表示一個動態方法調用點 |
| CONSTANT_Moudle_info | 19 | 表示一個模組 |
| CONSTANT_Package_info | 20 | 表示一個模組中開放或者導出的包 |
訪問標誌
常量池結束之後，緊接著的 2 個位元組代表訪問標誌（access_flags），這個標誌用於標識一些類或者介面層次的訪問資訊，包括這個 Class 是類還是介面；是否定義為 public 類型；是否定義為 abstract 類型；如果是類的話，是否被聲明為 final 等等。具體的標誌位以及標誌的含義如表：
| 標誌名稱 | 標誌值 | 含義 |
| ACC_PUBLIC | 0x0001 | 是否為 Public 類型 |
| ACC_FINAL | 0x0010 | 是否被聲明為 final，只有類可以設置 |
| ACC_SUPER | 0x0020 | 是否允許使用 invokespecial 位元組碼指令的新語義 |
| ACC_INTERFACE | 0x0200 | 標誌這是一個介面 |
| ACC_ABSTRACT | 0x0400 | 是否為 abstract 類型，對於介面或者抽象類來說，次標誌值為真，其他類型為假 |
| ACC_SYNTHETIC | 0x1000 | 標誌這個類並非由用戶程式碼產生 |
| ACC_ANNOTATION | 0x2000 | 標誌這是一個註解 |
| ACC_ENUM | 0x4000 | 標誌這是一個枚舉 |
access_flags 中一共有 16 個標誌位可以使用，當前只定義了其中 9 個，沒有使用到的標誌位要求一律為零。
類索引、父類索引與介面索引集合
類索引（this_class）、父類索引（super_class）和介面索引（interfaces）都按順序排列在訪問標誌之後，類索引和父類索引用兩個 u2 類型的索引值表示，而介面索引是一組 u2 類型的數據的集合。
類索引用於確定該類的全限定名，父類索引確定該類的父類的全限定名，由於 Java 不允許多繼承，因此父類索引只有一個，Object 類的父類索引為 0。類索引和父類索引各自指向一個 CONSTANT_Class_info 的類描述符常量，通過這個索引值可以找到定義在 CONSTANT_Utf8_info 類型的常量中的全限定名字元串。
對於介面索引集合，入口的第一項 u2 類型的數據為介面計數器（interfaces_count），表示索引表的容量，如果該類沒有實現任何介面，則該計數器的值為 0，後面介面的索引表不再佔用任何位元組。
欄位表集合方法表集合
欄位表集合（field_info）用於描述介面或類中聲明的變數，包括類級變數以及實例級變數，但不包括在方法內部聲明的局部變數。欄位包含待資訊有欄位的作用域（public、private、protected）、是實例變數還是類變數（static）、可變性（final）等等。這些資訊要麼有，要麼沒有，很適合用標誌位來表示，而欄位叫什麼，被定義為什麼數據類型，這些都無法固定，只能用常量池中的常量來描述。
欄位表結構如下：
| 類型 | 名稱 | 數量 |
|---|---|---|
| u2 | access_flags | 1 |
| u2 | name_index | 1 |
| u2 | descriptor_index | 1 |
| u2 | attributes_count | 1 |
| attribute_info | attributes | attributes_count |
access_flags 用來標識欄位修飾符（public、static、final、volatile …），name_index 和 descriptor_index 都是對常量池的引用，分別代表欄位的簡單名稱以及欄位和方法的描述符。之後的是屬性表集合，用於存儲一些額外資訊。
欄位表集合不會列出從父類或父介面繼承而來的欄位，但有可能出現原本 Java 程式碼中沒有的欄位，例如內部類為了保持對外部類的訪問性，編譯器會自動添加指向外部類實例的欄位。
方法表集合與欄位表集合幾乎完全一致，僅在標誌和屬性表集合的可選項中有所區別。至於方法裡面的程式碼，則經編譯後存放在方法屬性表集合中一個名為 Code 的屬性裡面。
