1.2 class文件結構剖析

Java虛擬機規定用u1、u2、u4三種數據結構來表示1 、2、4字節無符號整數，相同類型的若干條數據集合用表（table）的形式來存儲。表是一個變長的結構，由代表長度的表頭n和緊隨著的n個數據項組成。class文件采用類似C語言的結構體來存儲數據，如下所示。

        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];
        }

class文件由下面十個部分組成：

? 魔數（Magic Number）

? 版本號（Minor&Major Version）

? 常量池（Constant Pool）

? 類訪問標記（Access Flag）

? 類索引（This Class）

? 超類索引（Super Class）

? 接口表索引（Interface）

? 字段表（Field）

? 方法表（Method）

? 屬性表（Attribute）

Optimizing Java的作者編了一句順口溜幫忙記住上面這十部分：My Very Cute Animal Turns Savage In Full Moon Areas。如圖1-4所示。

圖1-4 class文件結構順口溜

1.2.1 魔數

人們經常通過文件名后綴來識別文件類型，比如看到一個．jpg后綴的文件，我們就知道這是一個jpg圖片文件。但使用文件名后綴來區分文件類型很不靠譜，后綴可以被隨便修改，那如何根據文件內容本身來標識文件的類型呢？可以用魔數（Magic Number）實現。

很多文件都以固定的幾字節開頭作為魔數，比如PDF文件的魔數是 %PDF-（十六進制0x255044462D）, png文件的魔數是 \x89PNG（十六進制0 x89504E47）。文件格式的制定者可以自由地選擇魔數值，只要魔數值還沒有被廣泛采用過且不會引起混淆即可。

使用十六進制工具打開class文件，首先看到的是充滿浪漫氣息的魔數0xCAFEBABE（咖啡寶貝），從Java的圖標也可以看出，Java從誕生之初就和咖啡這個詞有千絲萬縷的關系。class文件的魔數如圖1-5所示。

圖1-5 class文件魔數

魔數0 xCAFEBABE是JVM識別．class文件的標志，虛擬機在加載類文件之前會先檢查這4個字節，如果不是0 xCAFEBABE，則會拋出java.lang.ClassFormatError異常。我們可以把前面的class文件的4個字節改為0 xCAFEBABA來模擬這種情況，使用Java運行這個修改過的class文件，會出現預期的異常，如圖1-6所示。

圖1-6 執行非法魔數的class文件效果

關于Java魔數的由來有這樣一段故事，Java之父James Gosling曾經寫過一篇文章，大意是他之前常去的一家飯店有一個叫Grateful Dead的樂隊出名前在此演出，后來樂隊的主唱不幸去世，他們就將這個地方稱為CAFEDEAD。當時Gosling正好在設計一些文件的編碼格式，需要兩個魔數，一個用于對象持久化，一個用于class文件，這兩個魔數有著共同的前綴CAFE，他選擇了CAFEDEAD作為對象持久化文件的魔數，選擇了CAFEBABE作為class文件的魔數。

1.2.2 版本號

在魔數之后的四個字節分別表示副版本號（Minor Version）和主版本號（Major Version），如圖1-7所示。

圖1-7 class文件版本號

這里的主版本號是52（0x34），虛擬機解析這個類時就知道這是一個Java 8編譯出的類，如果類文件的版本號高于JVM自身的版本號，加載該類會被直接拋出java.lang. UnsupportedClassVersionError異常，如圖1-8所示。

圖1-8 加載高版本class文件異常

每次Java發布大版本，主版本會加1，目前常用的Java主版本號對應的關系如表1-1所示。

表1-1 Java版本與Major Version的關系

1.2.3 常量池

緊隨版本號之后的是常量池數據區域，常量池是類文件中最復雜的數據結構。對于JVM字節碼來說，如果操作數是很常用的數字，比如0，這些操作數是內嵌到字節碼中的。如果是字符串常量和較大的整數等，class文件則會把這些操作數存儲在常量池（Constant Pool）中，當使用這些操作數時，會根據常量池的索引位置來查找。

常量池的作用類似于C語言中的符號表（Symbol Table），但是比符號表要強大很多。常量池結構如下面的代碼所示。

        struct {
            u2                constant_pool_count;
            cp_info          constant_pool[constant_pool_count-1];
        }

由上面的偽代碼可知，常量池分為兩部分。

1）常量池大小（cp_info_count）：常量池是class文件中第一個出現的變長結構。既然是池，就有大小，常量池大小由兩個字節表示。假設常量池大小為 n，常量池真正有效的索引是1～n-1。也就是說，如果constant_pool_count等于10, constant_pool數組的有效索引值是1～9。0屬于保留索引，可供特殊情況使用。

2）常量池項（cp_info）集合：最多包含 n-1個元素。為什么是最多呢？long和double類型的常量會占用兩個索引位置，如果常量池包含了這兩種類型的元素，實際的常量池項的元素個數比 n-1要小。

常量池組成結構如圖1-9所示。

圖1-9 常量池組成結構

常量池中的每個常量項cp_info的數據結構如下面的偽代碼所示。

        cp_info {
            u1 tag;
            u1 info[];
        }

每個cp_info的第一個字節表示常量項的類型（tag），接下來的幾個字節表示常量項的具體內容。

Java虛擬機目前一共定義了14種常量項tag類型，這些常量名都以CONSTANT開頭，以info結尾，如表1-2所示。

表1-2 常量池類型

如果想查看類文件的常量池，可以在javap命令中加上 -v選項，如下所示。

        javap -v HelloWorld

        Constant pool:
            #1 = Methodref       #6.#15      // java/lang/Object."<init>":()V
            #2 = Fieldref        #16.#17     // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
            #3 = String           #18          // Hello, World
          ...
          #27 = Utf8             println
          #28 = Utf8             (Ljava/lang/String; )V

接下來將逐一介紹上面的14種常量池類型。

1. CONSTANT_Integer_info和CONSTANT_Float_info

CONSTANT_Integer_info和CONSTANT_Float_info這兩種結構分別用來表示int和float類型的常量，兩者的結構很類似，都用4個字節來表示具體的數值常量，它們的結構定義如下所示。

        CONSTANT_Integer_info {
            u1 tag;
            u4 bytes;
        }

       CONSTANT_Float_info {
            u1 tag;
            u4 bytes;
        }

以整型常量18（0x12）為例，它在常量池中的布局結構為如圖1-10所示。

圖1-10 整型常量項結構

其中第一個字節0 x03表示常量的類型為CONSTANT_Integer_info，接下來的四個字節是整型常量的值0 x12。

Java語言規范還定義了boolean、byte、short和char類型的變量，在常量池中都會被當作int來處理，以下面的代碼清單1-2為例。

        public class MyConstantTest {
            public final boolean bool = true; //  1(0x01)
            public final char c = 'A';          // 65(0x41)
            public final byte b = 66;           // 66(0x42)
            public final short s = 67;          // 67(0x43)
            public final int i = 68;            // 68(0x44)
        }

編譯生成的整型常量在class文件中的位置如圖1-11所示。

圖1-11 整型常量項的表示

2. CONSTANT_Long_info和CONSTANT_Double_info

CONSTANT_Long_info和CONSTANT_Double_info這兩種結構分別用來表示long和double類型的常量，二者都用8個字節表示具體的常量數值，它們的結構如下面的代碼所示。

        CONSTANT_Long_info {
            u1 tag;
            u4 high_bytes;
            u4 low_bytes;
        }

       CONSTANT_Double_info {
            u1 tag;
            u4 high_bytes;
            u4 low_bytes;
        }

以下面代碼中的long型常量a為例。

        public class HelloWorldMain {
            public final long a = Long.MAX_VALUE;
        }

對應的結構如圖1-12所示。

圖1-12 long型常量項結構

其中第1個字節0 x05表示常量的類型為CONSTANT_Long_info，接下來的8個字節是long型常量的值Long.MAX_VALUE。

使用javap輸出的常量池信息如下所示。

        Constant pool:
            #1 = Methodref            #7.#17           // java/lang/Object."<init>":()V
            #2 = Class                 #18              // java/lang/Long
            #3 = Long                  9223372036854775807l
            #5 = Fieldref             #6.#19           // Hello.a:J
            // ... 省略部分常量項
            #21 = Utf8                  java/lang/Object

前面提到過，CONSTANT_Long_info和CONSTANT_Double_info占用兩個常量池位置，可以看到常量池大小為22，常量a占用了 #3和 #4兩個位置，下一個常量項Fieldref從索引值5開始，如圖1-13所示。

圖1-13 long型常量在常量池的位置

3. CONSTANT_Utf8_info

CONSTANT_Utf8_info存儲了字符串的內容，結構如下所示。

        CONSTANT_Utf8_info {
            u1 tag;
            u2 length;
            u1 bytes[length];
        }

它由三部分構成：第一個字節是tag，值為固定值1; tag之后的兩個字節length并不是表示字符串有多少個字符，而是表示第三部分byte數組的長度；第三部分是采用MUTF-8編碼的長度為length的字節數組。

如果要存儲的字符串是"hello"，存儲結構如圖1-14所示。

圖1-14 UTF8類型常量項的結構

MUTF-8編碼與標準的UTF-8編碼在大部分情況下是相同的，但也有一些細微的區別，為了能搞清楚MUTF-8，需要知道UTF-8編碼是如何實現的。UTF-8是一種變長編碼方式，使用1～4個字節表示一個字符，規則如下。

1）對于傳統的ASCII編碼字符（0x0001～0x007F）, UTF-8用一個字節來表示，如下所示。

        00000001～0000007F -> 0xxxxxxx

因此英文字母的ASCII編碼和UTF-8編碼的結果一樣。

2）對于0080～07FF范圍的字符，UTF-8用2個字節來表示，如下所示。

        00000080～0000 07FF -> 110xxxxx 10xxxxxx

程序在遇到這種字符的時候，會把第一個字節的110和第二個字節的10去掉，再把剩下的bit組成新的兩字節數據。

3）對于00000800～0000FFFF范圍的字符，UTF-8用3個字節表示，如下所示。

        00000800～0000 FFFF -> 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

程序在遇到這種字符的時候，會把第一個字節的1110、第二和第三個字節的10去掉，再把剩下的bit組成新的3字節數據。

4）對于00010000～0010FFFF范圍的字符，UTF-8用4個字節表示，如下所示。

        00010000-0010 FFFF -> 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

程序在遇到這種字符的時候，會把第一個字節的11110以及第二、第三、第四個字節中的10去掉，再把剩下的位組成新的4字節數據。

以機械工業出版社的“機”字為例，它的unicode編碼為0 x673A（0110011100111010），在00000800～0000FFFF范圍內，根據上面的規則應該用3個字節表示，將對應的位填到空缺的x中，得到對應的UTF8編碼為0 xE69CBA，如圖1-15所示。

圖1-15 utf8編碼

那MUTF-8有什么不一樣呢？它們之間的區別如下。

1）MUTF-8里用兩個字節表示空字符（"\0"），把前面介紹的雙字節表示格式110xxxxx 10xxxxxx中的x全部填0，也即0 xC080，而在標準UTF-8編碼中只用一個字節0 x00表示。這樣做的原因是在其他語言中（比如C語言）會把空字符當作字符串的結束，而MUTF-8這種處理空字符的方式保證字符串中不會出現空字符，在C語言處理時不會意外截斷。

2）MUTF-8只用到了標準UTF-8編碼中的單字節、雙字節、三字節表示方式，沒有用到4字節表示方式。編碼在U+FFFF之上的字符，Java使用“代理對”（surrogate pair）通過2個字符表示，比如emoji表情“”的代理對為\ud83d\ude02。

下面用一個實際例子來看MUTF-8編碼，代碼如下所示。

        public final String x = "\0";
        public final String y = "\uD83D\uDE02"; // emoji表情

上面代碼中常量x的值為空字符，常量y的值為emoji表情“”。編譯上面的代碼，使用十六進制工具查看，如圖1-16所示。

圖1-16 MUTF-8 編碼示例

可以看到x對應的空字符表示為010002 C080，其中第一個字節01表示CONSTANT_Utf8_info類型，緊隨其后的兩個字節0 x0002表示byte數組的長度，最后的兩個字節0 xC080印證了之前的描述。

y對應的emoji字符在class文件中表示為010006 ED A0 BD ED B882，第一個字節0x01表示常量項tag，緊隨其后的兩個字節表示byte數組的長度，這里為6，表示使用六個字節來表示這個emoji字符，接下來的6個字節是使用兩個3字節表示的UTF-8編碼，它的解碼過程如下。

前三個字節ED A0 BD對應的二進制為111011011010000010111101，根據UTF-8三字節表示方式，去掉第一個字節的1110、第二和第三個字節的10，剩下的位是1101100000111101，也即0 xD83D，同理可得剩下的3字節對應0 xDE02，得到這個emoji的編碼為4字節“0xD83D DE02”，對應的MUTF-8解碼過程如下所示。

        1110 xxxx 10xx xxxx 10xx xxxx
        111011011010000010111101  -> 1101 100000 111101-> D83D
        111011011011100010000010  -> 1101 111000 000010-> DE02

4. CONSTANT_String_info

CONSTANT_String_info用來表示java.lang.String類型的常量對象。它與CONSTANT_Utf8_info的區別是CONSTANT_Utf8_info存儲了字符串真正的內容，而CONSTANT_String_info并不包含字符串的內容，僅僅包含一個指向常量池中CONSTANT_Utf8_info常量類型的索引。

CONSTANT_String_info的結構由兩部分構成，第一個字節是tag，值為8 , tag后面的兩個字節是一個名為string_index的索引值，指向常量池中的CONSTANT_Utf8_info，這個CONSTANT_Utf8_info中存儲的才是真正的字符串常量內容，如下所示。

        CONSTANT_String_info {
            u1 tag;
            u2 string_index;
        }

以下面代碼中的字符串a為例。

        public class Hello {
            private String a = "hello";
        }

這一部分在class文件中對應的區域如圖1-17所示。

圖1-17 CONSTANT_String_info示例

對應的CONSTANT_String_info的存儲布局方式如圖1-18所示。

圖1-18 string類型常量項結構

5. CONSTANT_Class_info

CONSTANT_Class_info結構用來表示類或接口，它的結構與CONSTANT_String_info非常類似，可用下面的偽代碼表示。

        CONSTANT_Class_info {
            u1 tag;
            u2 name_index;
        }

它由兩部分組成，第一個字節是tag，值固定為7 , tag后面的兩個字節name_index是一個常量池索引，指向CONSTANT_Utf8_info常量，這個字符串存儲的是類或接口的全限定名，如圖1-19所示。

圖1-19 class類型常量項的結構

6. CONSTANT_NameAndType_info

CONSTANT_NameAndType_info結構用來表示字段或者方法，可以用下面的偽代碼表示。

        CONSTANT_NameAndType_info{
            u1 tag;
            u2 name_index;
            u2 descriptor_index;
        }

CONSTANT_NameAndType_info結構由三部分組成，第一部分tag值固定為12，后面的兩個部分name_index和descriptor_index都指向常量池中的CONSTANT_Utf8_info的索引，name_index表示字段或方法的名字，descriptor_index是字段或方法的描述符，用來表示一個字段或方法的類型，字段和方法描述符在本章后面會有詳細介紹。

以下面代碼中的testMethod為例。

        public void testMethod(int id, String name) {
        }

對應的CONSTANT_NameAndType_info的結構布局示意圖如圖1-20所示。

圖1-20 NameAndType類型常量項結構

7. CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info和CONSTANT_InterfaceMethodref_info

這三種常量類型結構比較類似，結構用偽代碼表示如下。

        CONSTANT_Fieldref_info {
            u1 tag;
            u2 class_index;
            u2 name_and_type_index;
        }

       CONSTANT_Methodref_info {
            u1 tag;
            u2 class_index;
            u2 name_and_type_index;
        }

       CONSTANT_InterfaceMethodref_info {
            u1 tag;
            u2 class_index;
            u2 name_and_type_index;
        }

下面以CONSTANT_Methodref_info為例來進行講解，它用來描述一個方法。它由三部分組成：第一部分是tag值，固定為10；第二部分是class_index，是一個指向CONSTANT_Class_info的常量池索引值，表示方法所在的類信息；第三部分是name_and_type_index，是一個指向CONSTANT_NameAndType_info的常量池索引值，表示方法的方法名、參數和返回值類型。以下面的代碼清單1-3為例。

        public class HelloWorldMain {
            public static void main(String[] args) {
                new HelloWorldMain().testMethod(1, "hi");
            }
            public void testMethod(int id, String name) {
            }
        }

       Constant pool:
            #2 = Class        #18       // HelloWorldMain
            #5 = Methodref    #2.#20    // HelloWorldMain.testMethod:(ILjava/lang/String; )V
          #20 = NameAndType #13:#14  // testMethod:(ILjava/lang/String; )V

testMethod對應的Methodref的class_index為2，指向類名為“HelloWorldMain”的類，name_and_type_index為20，指向常量池中下標為20的NameAndType索引項，對應的方法名為“testMethod”，方法類型為“（ILjava/lang/String;）V”。

testMethod的Methodref信息可以用圖1-21表示。

圖1-21 Methodref類型常量項結構

8. CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info

從JDK1.7開始，為了更好地支持動態語言調用，新增了3種常量池類型（CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info）。以CONSTANT_InvokeDynamic_info為例，CONSTANT_InvokeDynamic_info的主要作用是為invokedynamic指令提供啟動引導方法，它的結構如下所示。

        CONSTANT_InvokeDynamic_info {
            u1 tag;
            u2 bootstrap_method_attr_index;
            u2 name_and_type_index;
        }

第一部分為tag，值固定為18；第二部分為bootstrap_method_attr_index，是指向引導方法表bootstrap_methods[] 數組的索引。第三部分為name_and_type_index，是指向索引類常量池里的CONSTANT_NameAndType_info的索引，表示方法描述符。以下面的代碼清單1-4為例。

        public void foo() {
            new Thread (()-> {
                System.out.println("hello");
            }).start();
        }

       javap輸出的常量池的部分如下：

       Constant pool:
            #3 = InvokeDynamic       #0:#25           // #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
            ...
        #25 = NameAndType          #37:#38          // run:()Ljava/lang/Runnable;

     BootstrapMethods:
        0: #22 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/
  invoke/MethodHandles$Lookup; Ljava/lang/String; Ljava/lang/invoke/MethodType; Ljava/
  lang/invoke/MethodType; Ljava/lang/invoke/MethodHandle; Ljava/lang/invoke/MethodType; )
  Ljava/lang/invoke/CallSite;
          Method arguments:
            #23 ()V
            #24 invokestatic HelloWorldMain.lambda$foo$0:()V
            #23 ()V

整體的結構如圖1-22所示。

圖1-22 InvokeDynamic類型常量項結構

至此，關于class文件最復雜的常量池部分的介紹就告一段落，接下來我們將繼續講解class文件剩下的幾個部分。

1.2.4 Access flags

緊隨常量池之后的區域是訪問標記（Access flags），用來標識一個類為final、abstract等，由兩個字節表示，總共有16個標記位可供使用，目前只使用了其中的8個，如圖1-23所示。

圖1-23 類訪問標記

完整的訪問標記含義如表1-3所示。

表1-3 類訪問標記

本例中類的訪問標記為0 x0021（ACC_SUPER | ACC_PUBLIC），表示是一個public的類，如圖1-24所示。

圖1-24 類訪問標記

這些訪問標記并不是可以隨意組合的，比如ACC_PUBLIC、ACC_PRIVATE、ACC_PROTECTED不能同時設置，ACC_FINAL和ACC_ABSTRACT也不能同時設置，否則會違背語義。更多的規則可以在javac源碼的com.sun.tools.javac.comp.Check.java文件中找到。

1.2.5 this_class、super_name、interfaces

這三部分用來確定類的繼承關系，this_class表示類索引，super_name表示直接父類的索引，interfaces表示類或者接口的直接父接口。

this_class是一個指向常量池的索引，表示類或者接口的名字，用兩字節表示，以下面的代碼清單1-5為例。

        public class Hello {
            public static void main(String[] args) {
            }
        }

       Constant pool:
            // ...
            #2 = Class                 #13              // Hello
            // ...
          #13 = Utf8                  Hello

本例中this_class為0 x0002，指向常量池中下標為2的元素，這個元素是CONSTANT_Class_info類型，它的name_index指向常量池中下標為13、類型為CONSTANT_Utf8_info的元素，表示類名為“Hello”，如圖1-25所示。

圖1-25 this_class分析

super_class和interfaces的原理與之類似，不再贅述。接下來開始介紹字段表。

1.2.6 字段表

緊隨接口索引表之后的是字段表（fields），類中定義的字段會被存儲到這個集合中，包括靜態和非靜態的字段，它的結構可以用下面的偽代碼表示。

        {
            u2                fields_count;
            field_info      fields[fields_count];
        }

字段表也是一個變長的結構，fields_count表示field的數量，接下來的fields表示字段集合，共有fields_count個，每一個字段用field_info結構表示，稍后會進行介紹。

1．字段field_info結構

每個字段field_info的格式如下所示。

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

字段結構分為4個部分：第一部分access_flags表示字段的訪問標記，用來標識是public、private還是protected，是否是static，是否是final等；第二部分name_index用來表示字段名，指向常量池的字符串常量；第三部分descriptor_index是字段描述符的索引，指向常量池的字符串常量；最后的attributes_count、attribute_info表示屬性的個數和屬性集合。如圖1-26所示。

圖1-26 field_info組成結構示意

接下來會詳細介紹這些組成部分。

2．字段訪問標記

與類一樣，字段也擁有自己的字段訪問標記，但字段的訪問標記更豐富，共有9種，詳細的列表如表1-4所示。

表1-4 字段訪問標記

如果在類中定義了字段public static final int DEFAULT_SIZE = 128，編譯后DEFAULT_SIZE字段在類文件中存儲的訪問標記值為0 x0019，則它的訪問標記為ACC_PUBLIC |ACC_STATIC | ACC_FINAL，表示它是一個public static final類型的變量，如圖1-27所示。

圖1-27 字段訪問標記示例

同之前介紹的類訪問標記一樣，字段訪問標記并不是可以隨意組合的，比如ACC_FINAL和ACC_VOLATILE也不能同時設置，否則會違背語義。

3．字段描述符

字段描述符（field descriptor）用來表示某個field的類型，在JVM中定義一個int類型的字段時，類文件中存儲的類型并不是字符串int，而是更精簡的字母I。

根據類型的不同，字段描述符分為三大類。

1）原始類型，byte、int、char、float等這些簡單類型使用一個字符來表示，比如J對應long類型，B對應byte類型。

2）引用類型使用L；的方式來表示，為了防止多個連續的引用類型描述符出現混淆，引用類型描述符最后都加了一個“;”作為結束，比如字符串類型String的描述符為“Ljava/lang/String;”。

3）JVM使用一個前置的“[”來表示數組類型，如int[] 類型的描述符為“[I”，字符串數組String[] 的描述符為“[Ljava/lang/String;”。而多維數組描述符只是多加了幾個“[”而已，比如Object[][][] 類型的描述符為“[[[Ljava/lang/Object;”。

完整的字段類型描述符映射表如表1-5所示。

表1-5 字段類型描述符映射表

4．字段屬性

與字段相關的屬性包括ConstantValue、Synthetic 、Signature、Deprecated、Runtime-Visible Annotations和RuntimeInvisibleAnnotations這6個，比較常見的是ConstantValue屬性，用來表示一個常量字段的值，具體將在1.2.8節展開介紹。

1.2.7 方法表

方法表的作用與前面介紹的字段表非常類似，類中定義的方法會被存儲在這里，方法表也是一個變長結構，如下所示。

        {
            u2                methods_count;
            method_info     methods[methods_count];
        }

其中methods_count表示方法的數量，接下來的methods表示方法的集合，共有methods_count個，每一個方法用method_info結構表示。

1．方法method_info結構

對于每個方法method_info而言，它的結構如下所示。

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

方法method_info結構分為四部分：第一部分access_flags表示方法的訪問標記，用來標記是public、private還是protected，是否是static，是否是final等；接下來的name_index、descriptor_index分別表示方法名和方法描述符的索引值，指向常量池的字符串常量；attributes_count和attribute_info表示方法相關屬性的個數和屬性集合，包含了很多有用的信息，比如方法內部的字節碼就存放在Code屬性中。

field_info的結構如圖1-28所示。

圖1-28 field_info結構

2．方法訪問標記

方法的訪問標記比類和字段的訪問標記類型更豐富，一共有12種，完整的映射表如表1-6所示。

表1-6 方法訪問標記映射表

以下面的代碼為例：

        private static synchronized void foo() {
        }

生成的類文件中，foo方法的訪問標記等于0 x002a（ACC_PRIVATE | ACC_STATIC|ACC_SYNCHRONIZED），表示這是一個private static synchronized的方法，如圖1-29所示。

圖1-29 方法訪問標記

同前面的字段訪問標記一樣，不是所有的方法訪問標記都可以隨意組合設置，比如ACC_ABSTRACT、ACC_FINAL在方法描述符中不能同時設置，ACC_ABSTRACT和ACC_SYNCHRONIZED也不能同時設置。

3．方法名與描述符

緊隨方法訪問標記的是方法名索引name_index，指向常量池中CONSTANT_Utf8_info類型的字符串常量，比如有這樣一個方法定義private void foo（），編譯器會生成一個類型為CONSTANT_Utf8_info的字符串常量項，里面存儲了“foo”，方法名索引name_index指向了這個常量項。

方法描述符索引descriptor_index也是指向常量池中類型為CONSTANT_Utf8_info的字符串常量項。方法描述符用來表示一個方法所需的參數和返回值，格式如下：

        (參數1類型 參數2類型 參數3類型 ...)返回值類型

比如，方法Object foo（int i, double d, Thread t）的描述符為“（IDLjava/lang/Thread;）Ljava/lang/Object;”，其中“I”表示第一個參數i的參數類型int,“D”表示第二個參數d的類型double,“Ljava/lang/Thread;”表示第三個參數t的類型Thread,“Ljava/lang/Object;”表示返回值類型Object，如圖1-30所示。

圖1-30 方法描述符

4．方法屬性表

方法屬性表是method_info結構的最后一部分。前面介紹了方法的訪問標記和方法簽名，還有一些重要的信息沒有出現，如方法聲明拋出的異常，方法的字節碼，方法是否被標記為deprecated等，屬性表就是用來存儲這些信息的。與方法相關的屬性有很多，其中比較重要的是Code和Exceptions屬性，其中Code屬性存放方法體的字節碼指令，Exceptions屬性用于存儲方法聲明拋出的異常。屬性的細節我們將在1.2.8節中進行介紹。

1.2.8 屬性表

在方法表之后的結構是class文件的最后一部分——屬性表。屬性出現的地方比較廣泛，不只出現在字段和方法中，在頂層的class文件中也會出現。相比于常量池只有14種固定的類型，屬性表的類型更加靈活，不同的虛擬機實現廠商可以自定義屬性，屬性表的結構如下所示。

        {
            u2                attributes_count;
            attribute_info attributes[attributes_count];
        }

與其他結構類似，屬性表使用兩個字節表示屬性的個數attributes_count，接下來是若干個屬性項的集合，可以看作是一個數組，數組的每一項都是一個屬性項attribute_info，數組的大小為attributes_count。每個屬性項的attribute_info的結構如下所示。

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

attribute_name_index是指向常量池的索引，根據這個索引可以得到attribute的名字，接下來的兩部分表示info數組的長度和具體byte數組的內容。

虛擬機預定義了20多種屬性，下面我們挑選字段表相關的ConstantValue屬性和方法表相關的Code屬性進行介紹。

1. ConstantValue屬性

ConstantValue屬性出現在字段field_info中，用來表示靜態變量的初始值，它的結構如下所示。

        ConstantValue_attribute {
            u2 attribute_name_index;
            u4 attribute_length;
            u2 constantvalue_index;
        }

其中attribute_name_index是指向常量池中值為“ConstantValue”的字符串常量項，attribute_length值固定為2，因為接下來的具體內容只會有兩個字節大小。constantvalue_index指向常量池中具體的常量值索引，根據變量的類型不同，constantvalue_index指向不同的常量項。如果變量為long類型，則constantvalue_index指向CONSTANT_Long_info類型的常量項。

以代碼public static final int DEFAULT_SIZE = 128為例，字段對應的class文件如圖1-31高亮部分所示。

圖1-31 字段DEFAULT_SIZE在class文件中的表示

它對應的字段結構如圖1-32所示。

圖1-32 完整的field_info字段結構

2. Code屬性

Code屬性是類文件中最重要的組成部分，它包含方法的字節碼，除native和abstract方法以外，每個method都有且僅有一個Code屬性，它的結構如下。

        Code_attribute {
            u2 attribute_name_index;
            u4 attribute_length;
            u2 max_stack;
            u2 max_locals;
            u4 code_length;
            u1 code[code_length];
            u2 exception_table_length;
            {    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];
        }

下面開始介紹Code屬性表的各個字段含義。

1）屬性名索引（attribute_name_index）占2個字節，指向常量池中CONSTANT_Utf8_info常量，表示屬性的名字，比如這里對應的常量池的字符串常量“Code”。

2）屬性長度（attribute_length）占用2個字節，表示屬性值長度大小。

3）max_stack表示操作數棧的最大深度，方法執行的任意期間操作數棧的深度都不會超過這個值。它的計算規則是：有入棧的指令stack增加，有出棧的指令stack減少，在整個過程中stack的最大值就是max_stack的值，增加和減少的值一般都是1，但也有例外：LONG和DOUBLE相關的指令入棧stack會增加2 , VOID相關的指令則為0。

4）max_locals表示局部變量表的大小，它的值并不等于方法中所有局部變量的數量之和。當一個局部作用域結束，它內部的局部變量占用的位置就可以被接下來的局部變量復用了。

5）code_length和code用來表示字節碼相關的信息。其中，code_length表示字節碼指令的長度，占用4個字節；code是一個長度為code_length的字節數組，存儲真正的字節碼指令。

6）exception_table_length和exception_table用來表示代碼內部的異常表信息，如我們熟知的try-catch語法就會生成對應的異常表。exception_table_length表示接下來exception_table數組的長度，每個異常項包含四個部分，可以用下面的結構表示。

        {
            u2 start_pc;
            u2 end_pc;
            u2 handler_pc;
            u2 catch_type;
        }

其中start_pc、end_pc、handler_pc都是指向code字節數組的索引值，start_pc和end_pc表示異常處理器覆蓋的字節碼開始和結束的位置，是左閉右開區間 [start_pc, end_pc），包含start_pc，不包含end_pc。handler_pc表示異常處理handler在code字節數組的起始位置，異常被捕獲以后該跳轉到何處繼續執行。

catch_type表示需要處理的catch的異常類型是什么，它用兩個字節表示，指向常量池中類型為CONSTANT_Class_info的常量項。如果catch_type等于0，則表示可處理任意異常，可用來實現finally語義。

當JVM執行到這個方法 [start_pc, end_pc）范圍內的字節碼發生異常時，如果發生的異常是這個catch_type對應的異常類或者它的子類，則跳轉到code字節數組handler_pc處繼續處理。

7）attributes_count和attributes[] 用來表示Code屬性相關的附屬屬性，Java虛擬機規定Code屬性只能包含這四種可選屬性：LineNumberTable、LocalVariableTable、LocalVariableTypeTable、StackMapTable。以LineNumberTable為例，LineNumberTable用來存放源碼行號和字節碼偏移量之間的對應關系，屬于調試信息，不是類文件運行的必需屬性，默認情況下都會生成。如果沒有這個屬性，那么在調試時就沒有辦法在源碼中設置斷點，也沒有辦法在代碼拋出異常時在錯誤堆棧中顯示出錯的行號信息。

接下來以代碼清單1-6為例來看Code屬性。

        public class HelloWorldMain {
            public static void main(String[] args) {
                try {
                    foo();
                } catch (NullPointerException e) {
                    System.out.println(e);
                } catch (IOException e) {
                    System.out.println(e);
                }

               try {
                    foo();
                } catch (Exception e) {
                    System.out.println(e);
                }
            }
            public static void foo() throws IOException {
            }
        }

編譯后使用十六進制工具查看Code區域，如圖1-33所示。

圖1-33 Code屬性布局

其中attribute_name_index為0 x0C，指向常量池中下標為12的字符串“Code”。attribute_length等于154（0x9A），表示屬性值的長度大小。max_stack和max_locals都等于2，表示最大棧深度和局部變量表的大小都等于2 , code_length等于40（0x28），表示接下來code字節數組的長度為40。exception_table_length等于3（0x03），表示接下來會有3個異常表項目。最后的attributes_count為2，表示接下來會有2個相關的屬性項，這里是LineNumberTable和StackMapTable。根據前面的介紹，可以畫出的Code屬性結構如圖1-34所示。

圖1-34 Code屬性結構

至此，類文件的基本結構就介紹得差不多了，在結束本章之前，我們來看看javap工具的使用。