對於理解JVM和深入理解Java語言， 學習並了解class檔案的格式都是必須要掌握的功課
Class檔案在Java架構中的位置和作用
對於理解JVM和深入理解Java語言， 學習並了解class檔案的格式都是必須要掌握的功課。 原因很簡單， JVM不會理解我們寫的Java源文件， 我們必須把Java源文件編譯成class文件， 才能被JVM識別， 對於JVM而言， class文件相當於一個接口， 理解了這個接口， 能幫助我們更好的理解JVM的行為；另一方面， class文件以另一種方式重新描述了我們在源文件中要表達的意思， 理解class文件如何重新描述我們編寫的源文件， 對於深入理解Java語言和文法都是很有幫助的。 另外， 不管是什麼語言， 只要能編譯成class文件， 都能被JVM辨識並執行， 所以class文件不僅是跨平台的基礎， 也是JVM跨語言的基礎， 理解了class文件格式， 對於我們學習基於JVM的其他語言會很有幫助。
總之， 在整個Java技術體系結構中， class檔案處於中間的位置， 對於理解整個系統有著承上啟下的作用。 如圖所示：
Class檔案格式概述
class檔案是一種8位元組的二進位流文件， 各個資料項按順序緊密的從前向後排列， 相鄰的項之間沒有間隙， 這樣可以使得class文件非常緊湊， 體積輕巧， 可以被JVM快速的加載至內存，並且佔據較少的記憶體空間。 我們的Java原始文件， 在被編譯之後， 每個類別（或介面）都單獨佔據一個class文件， 並且類別中的所有資訊都會在class文件中有相應的描述， 由於class文件很靈活， 它甚至比Java原始檔有著更強的描述能力。
class檔案中的資訊是一項排列的， 每項資料都有它的固定長度， 有的佔一個字節， 有的佔兩個字節， 還有的佔四個位元組或8個位元組， 資料項的不同長度分別以u1, u2, u4, u8表示， 分別表示一種資料項在class檔案中佔據一個字節， 兩個字節，4個位元組和8個位元組。 可以把u1, u2, u3, u4看做class檔案資料項的「型別」 。
class檔案中存在以下資料項目(此圖表參考自《深入Java虛擬機器》)：
#類型 |
名稱 |
數量 |
u4 |
magic |
1 |
u2 |
次要版本 |
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 |
# ##super_class###################1####### |
|
u2 |
#interfaces_count |
|
1 |
u2 |
介面 |
interfaces_count |
u2 |
|
|
########### # ############fields_count###################1################################1################# # #######field_info##################欄位###### |
fields_count |
|
#u2 |
methods_count |
1 |
|
##1 |
## method_info
|
|
|
##methods_count |
||
|
######## ##### ############u2###################attribute_count############## ##### #1########################attribute_info####### |
屬性 |
#attributes_count |
下面對class檔案中的每一項進行詳細的解釋。
class檔案中的魔數與版本號
#（1） magic
在class檔案開頭的四個位元組， 存放著class檔案的魔數， 這個魔數是class檔案的標誌，他是固定的值： 0XCAFEBABE 。 也就是說他是判斷一個文件是不是class格式的文件的標準， 如果開頭四個位元組不是0XCAFEBABE， 那就表示它不是class文件， 就不能被JVM辨識。
（2）minor_version 和 major_version
緊接著魔數的四個位元組是class檔案的此版本號碼和主版本號。 隨著Java的發展， class檔案的格式也會做相對應的變動。 版本號碼標誌著class檔案在什麼時候， 加入或改變了哪些特性。 舉例來說， 不同版本的javac編譯器編譯的class文件， 版本號碼可能不同， 而不同版本的JVM能辨識的class文件的版本號碼也可能不同， 一般情況下，高版本的JVM能辨識低版本的javac編譯器編譯的class文件，而低版本的JVM不能辨識高版本的javac編譯器編譯的class檔。 如果使用低版本的JVM執行高版本的class文件， JVM會拋出java.lang.UnsupportedClassVersionError 。具體的版本號變遷這裡不再討論， 需要的讀者自行查閱資料。
class檔案中的常數池概述
#在class檔案中， 位於版本號碼後面的就是常數池相關的數據項。 常量池是class檔案中非常重要的資料。 常量池中存放了文字字串， 常數值， 目前類別的類別名， 欄位名， 方法名， 各個欄位和方法的描述符， 對目前類別的欄位和方法的參考訊息， 當前類別中對其他類別的引用資訊等等。常量池中幾乎包含類別中的所有資訊的描述， class檔案中的許多其他部分都是對常數池中的資料項目的引用，例如後面要講到的this_class, super_class, field_info, attribute_info等， 另外位元組碼指令中也存在對常數池的引用， 這個對常數池的引用當做字節碼指令的一個操作數。 此外， 常量池中各項也會互相引用。
class檔案中的項constant_pool_count的值為1, 說明每個類別都只有一個常數池。 常量池中的資料也是一項一項的， 沒有間隙的依序排放。常量池中各個資料項透過索引來訪問， 有點類似與數組， 只不過常數池中的第一項的索引為1, 而不為0, 如果class檔案中的其他地方引用了索引為0的常數池項， 就表示它不引用任何常數池項。 class檔案中的每一種資料項都有自己的型別， 相同的道理，常量池中的每一種資料項也有自己的型別。 常數池中的資料項目的類型如下表：
#常數池中資料項目類型 |
型別標誌 |
型別描述 |
CONSTANT_Utf8 |
1 |
UTF-8編碼的Unicode字串 |
CONSTANT_Integer |
3 |
#int型別字面上值 |
CONSTANT_Float |
4 |
#float類型字面值 |
| #CONSTANT_Long |
5 |
#long類型字面上值 |
| #CONSTANT_Double | 6 | |
| ## CONSTANT_Class | 7 | #對一個類別或介面的符號引用 |
| ##CONSTANT_String | 8 | #String類型字面上值 |
| CONSTANT_Fieldref | 9 | #對一個欄位的符號參考 |
每個資料項叫做一個XXX_info項， 例如， 一個常數池中一個CONSTANT_Utf8類型的項， 就是一個CONSTANT_Utf8_info 。除此之外， 每個info項目中都有一個標誌值（tag）， 這個標誌值顯示了這個常數池中的info項的類型是什麼， 從上面的表格可以看出， 一個CONSTANT_Utf8_info中的tag值為1， 而一個CONSTANT_Fieldref_info中的tag值為9 。
Java程式是動態連結的， 在動態連結的實作中， 常數池扮演者舉足輕重的角色。 除了存放一些字面量之外， 常數池中還存放著以下幾種符號引用：
（1） 類別和介面的全限定名
（2 ） 欄位的名稱和描述符
（3） 方法的名稱和描述符
在詳細講解常數池中的各個資料項之前， 我們有必要先了解一下class檔案中的特殊字元字串， 因為在常數池中， 特殊字串大量的出現，這些特殊字串就是上面說的全限定名和描述符。 要理解常數池中的各個資料項， 必須先了解這些特殊字串。
以上是Java中class檔案格式的圖文詳解的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！
