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，对文件格式、结构方面的学习，有点类似于“读字典”，读者阅读本章时，大概会不可避免地感到比较枯燥，但这部分内容又是Java虚拟机的重要基础之一，是了解虚拟机的必经之路，如果想比较深入地学习虚拟机相关知识，这部分是无法回避的。

Java技术能够一直保持着非常良好的向后兼容性，Class文件结构的稳定功不可没，任何一门程序语言能够获得商业上的成功，都不可能去做升级版本后，旧版本编译的产品就不再能够运行这种事情。本章所讲述的关于Class文件结构的内容，绝大部分都是在第一版的《Java虚拟机规范》（1997年发布，对应于JDK 1.2时代的Java虚拟机）中就已经定义好的，内容虽然古老，但时至今日，Java发展经历了十余个大版本、无数小更新，那时定义的Class文件格式的各项细节几乎没有出现任何改变。尽管不同版本的《Java虚拟机规范》对Class文件格式进行了几次更新，但基本上只是在原有结构基础上新增内容、扩充功能，并未对已定义的内容做出修改。

注意任何一个Class文件都对应着唯一的一个类或接口的定义信息^1，但是反过来说，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动态生成，直接送入类加载器中）。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”，实际上它完全不需要以磁盘文件的形式存在。

Class文件是一组以8个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个字节以上空间的数据项时，则会按照高位在前^2的方式分割成若干个8个字节进行存储。

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，所以这里笔者必须先解释清楚这两个概念。

• 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，为了便于区分，所有表的命名都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上也可以视作是一张表，这张表由表6-1所示的数据项按严格顺序排列构成。

表6-1 Class文件格式

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，这时候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，笔者需要再强调一次，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，全部都不允许改变。接下来，我们将一起看看这个表中各个数据项的具体含义。