6.3　Class类文件的结构

解析Class文件的数据结构是本章的最主要内容。笔者曾经在前言中阐述过本书的写作风格：力求在保证逻辑准确的前提下，用尽量通俗的语言和案例去讲述虚拟机中与开发关系最为密切的内容。但是，对数据结构方面的讲解不可避免地会比较枯燥，而这部分内容又是了解虚拟机的重要基础之一。如果想比较深入地了解虚拟机，那么这部分是不能不接触的。

在本章关于Class文件结构的讲解中，我们将以《Java虚拟机规范（第2版）》（1999年发布，对应于JDK 1.4时代的Java虚拟机）中的定义为主线，这部分内容虽然古老，但它所包含的指令、属性是Class文件中最重要和最基础的。同时，我们也会以后续JDK 1.5～JDK 1.7中添加的内容为支线进行较为简略的、介绍性的讲解，如果读者对这部分内容特别感兴趣，建议参考笔者所翻译的《Java虚拟机规范（Java SE 7）》中文版，可以在笔者的网站（http://icyfenix.iteye.com/）上下载到这本书的全文PDF。

注意　任何一个Class文件都对应着唯一一个类或接口的定义信息，但反过来说，类或接口并不一定都得定义在文件里（譬如类或接口也可以通过类加载器直接生成）。本章中，笔者只是通俗地将任意一个有效的类或接口所应当满足的格式称为“Class文件格式”，实际上它并不一定以磁盘文件的形式存在。

Class文件是一组以8位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文件之中，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是程序运行的必要数据，没有空隙存在。当遇到需要占用8位字节以上空间的数据项时，则会按照高位在前^[1]的方式分割成若干个8位字节进行存储。

根据Java虚拟机规范的规定，Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构中只有两种数据类型：无符号数和表，后面的解析都要以这两种数据类型为基础，所以这里要先介绍这两个概念。

无符号数属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值。

表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，所有表都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上就是一张表，它由表6-1所示的数据项构成。

无论是无符号数还是表，当需要描述同一类型但数量不定的多个数据时，经常会使用一个前置的容量计数器加若干个连续的数据项的形式，这时称这一系列连续的某一类型的数据为某一类型的集合。

本节结束之前，笔者需要再重复讲一下，Class的结构不像XML等描述语言，由于它没有任何分隔符号，所以在表6-1中的数据项，无论是顺序还是数量，甚至于数据存储的字节序（Byte Ordering,Class文件中字节序为Big-Endian）这样的细节，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。接下来我们将一起看看这个表中各个数据项的具体含义。

6.3.1　魔数与Class文件的版本

每个Class文件的头4个字节称为魔数（Magic Number），它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。很多文件存储标准中都使用魔数来进行身份识别，譬如图片格式，如gif或者jpeg等在文件头中都存有魔数。使用魔数而不是扩展名来进行识别主要是基于安全方面的考虑，因为文件扩展名可以随意地改动。文件格式的制定者可以自由地选择魔数值，只要这个魔数值还没有被广泛采用过同时又不会引起混淆即可。Class文件的魔数的获得很有“浪漫气息”，值为：0xCAFEBABE（咖啡宝贝？），这个魔数值在Java还称做“Oak”语言的时候（大约是1991年前后）就已经确定下来了。它还有一段很有趣的历史，据Java开发小组最初的关键成员Patrick Naughton所说：“我们一直在寻找一些好玩的、容易记忆的东西，选择0xCAFEBABE是因为它象征着著名咖啡品牌Peet’s Coffee中深受欢迎的Baristas咖啡”，这个魔数似乎也预示着日后“Java”这个商标名称的出现。

紧接着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号：第5和第6个字节是次版本号（Minor Version），第7和第8个字节是主版本号（Major Version）。Java的版本号是从45开始的，JDK 1.1之后的每个JDK大版本发布主版本号向上加1（JDK 1.0～1.1使用了45.0～45.3的版本号），高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但不能运行以后版本的Class文件，即使文件格式并未发生任何变化，虚拟机也必须拒绝执行超过其版本号的Class文件。

例如，JDK 1.1能支持版本号为45.0～45.65535的Class文件，无法执行版本号为46.0以上的Class文件，而JDK 1.2则能支持45.0～46.65535的Class文件。现在，最新的JDK版本为1.7，可生成的Class文件主版本号最大值为51.0。

为了讲解方便，笔者准备了一段最简单的Java代码（见代码清单6-1），本章后面的内容都将以这段小程序使用JDK 1.6编译输出的Class文件为基础来进行讲解。

代码清单6-1　简单的Java代码

package org.fenixsoft.clazz；

public class TestClass{

private int m；

public int inc（）{

return m+1；

}

}

图6-2显示的是使用十六进制编辑器WinHex打开这个Class文件的结果，可以清楚地看见开头4个字节的十六进制表示是0xCAFEBABE，代表次版本号的第5个和第6个字节值为0x0000，而主版本号的值为0x0032，也即是十进制的50，该版本号说明这个文件是可以被JDK 1.6或以上版本虚拟机执行的Class文件。

图　6-2　Java Class文件的结构

表6-2列出了从JDK 1.1到JDK 1.7，主流JDK版本编译器输出的默认和可支持的Class文件版本号。

[1]这种顺序称为“Big-Endian”，具体是指最高位字节在地址最低位、最低位字节在地址最高位的顺序来存储数据，它是SPARC、PowerPC等处理器的默认多字节存储顺序，而x86等处理器则是使用了相反的“Little-Endian”顺序来存储数据。