Class文件解析

Class文件結構

整體結構

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];
}

從結構上看可以分爲幾大塊 文件頭、常量池、接口、字段、函數、屬性

文件頭

 u4             magic;  //固定值 0xCAFEBABE
 u2             minor_version;
 u2             major_version;
 u2             access_flags;  //訪問修飾
 u2             this_class; //類名 常量池下標
 u2             super_class; //父類名 常量池下標  如果是0 就是java/lang/Object;
</pre></code>
我把這幾個描述了類基本信息的字段稱爲文件頭

major_version.minor_version表示該class文件的版本號,由編譯器版本決定，然而不同版本的虛擬機只會支持一定版本範圍內的class文件，如果不在則會拒絕解析。
例如 openJDK中的實現
<pre><code>
// Check version numbers - we check this even with verifier off
  if (!is_supported_version(major_version, minor_version)) {
    if (name == NULL) {
      Exceptions::fthrow(
        THREAD_AND_LOCATION,
        vmSymbols::java_lang_UnsupportedClassVersionError(),
        "Unsupported major.minor version %u.%u",
        major_version,
        minor_version);
    } 

常量池

常量池包含了class文件中使用到的例如 函數標識/類型信息/字符串等等，運行時加載到內存中形成運行時常量池

常量項中文件中使用變長結構描述

cp_info {
    u1 tag;  //表示常量的類型
    u1 info[];  //具體常量的內容結構 不同類型常量有不同的結構
}

/*常量類型*/
Constant Type    Value
CONSTANT_Class    7
CONSTANT_Fieldref    9
CONSTANT_Methodref    10
CONSTANT_InterfaceMethodref    11
CONSTANT_String    8
CONSTANT_Integer    3
CONSTANT_Float    4
CONSTANT_Long    5
CONSTANT_Double    6
CONSTANT_NameAndType    12
CONSTANT_Utf8    1
CONSTANT_MethodHandle    15
CONSTANT_MethodType    16
CONSTANT_InvokeDynamic    18

例如：Utf8_info常量,更多的可以查看規範

CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag;
    u2 length;  //字符串長度
    u1 bytes[length]; //字符串數據（utf-8編碼）
}

解析常量池的時候要注意：常量池長度爲 constant_pool_count -1 但是 下標從1開始

屬性表

attribute_info {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u1 info[attribute_length];
}

屬性項可以包含在class、method、field、code中，作爲具體信息項

在class中可以描述文件信息，在method中可以描述字節碼內容，函數棧信息，在code中可以描述行號等 所以attribute_info同樣是具備不同類型的變長結構。但是attribute_info並沒有tag這樣的專門標記去標識類型，而是使用名字attribute_name。

//一部分Attribute Name
Attribute    Section    class file    Java SE
ConstantValue    §4.7.2    45.3    1.0.2
Code    §4.7.3    45.3    1.0.2
StackMapTable    §4.7.4    50.0    6
Exceptions    §4.7.5    45.3    1.0.2
InnerClasses    §4.7.6    45.3    1.1
//.......

Code_attribute結構

Code_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 max_stack;  //最大棧深度
    u2 max_locals;  //局部變量數量
    u4 code_length; //字節碼內容長度
    u1 code[code_length];  //字節碼內容
    u2 exception_table_length;  //異常處理表 由try,catch/finaly 產生
    {   u2 start_pc;
        u2 end_pc;
        u2 handler_pc;
        u2 catch_type;
    } exception_table[exception_table_length];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

函數表/字段表

method_info {
    u2             access_flags;
    u2             name_index;
    u2             descriptor_index;
    u2             attributes_count;
//一定會包含一個code屬性項
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

field_info {
    u2             access_flags;
    u2             name_index;
    u2             descriptor_index;
    u2             attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

可以看到函數/字段中的內容具體有屬性來描述

字節碼解析

對於class文件解析，我們最關心的可能就兩個 常量池和字節碼

一條字節碼由操作碼，操作數組成,不同的字節碼操作數的長度/表示意義可能不一樣，對着規範翻譯就好

例如invokevirtual字節碼就是 0xb6 u2 2字節的操作數在運行時指向的是一個instance method ref

參考文檔

1. JVM規範-Class文件結構
2. JVM規範-字節碼

本文代碼

ClassParserDemo