分析.class字节码文件（上）：常量池结构

不念不忘少年蓝@ 2023-03-01 13:58 67阅读 0赞

**目录**

十六进制字节码

魔数

版本号

常量池结构

常量池元素

父类常量元素

变量型常量元素

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前面日志说到，Java程序中的类编译后会生成对应的.class字节码文件，里面的数据都是二进制流存储，一个字节码文件由很多部分组成，例如魔数，版本号，常量池，访问权限和接口列表等等，这些数据项对应的字节流都是按照顺序存储的，例如.class文件开头的四个字节一定是魔数，它用来标识该文件是字节码文件，JVM在加载.class文件时都会先检查前面这四个字节，如果发现不是固定的魔数，那么会拒绝加载。平时想要查看字节码内容，可以用javap -verbose命令，它可以分析出字节码文件中例如版本号，常量池和类的构造函数等信息：

![20200727133736507.PNG][]

可以看到，版本号53，对应的即使用JDK 9编译，常量池，里面保存了很多索引。下面用十六进制打开一个Java程序的编译后得到的字节码文件，来详细分析一下里面的每一部分。

## 十六进制字节码 ##

字节码用二进制数据流的方式存储，想用十六进制方式打开，我使用的是WinHex，打开编译后的.class文件：

![20200727133748872.PNG][]

### 魔数 ###

首先来看前面四个字节的数据，CAFEBABE，正是我们前面所说的，标识.class字节码文件的魔数：

![20200727133757732.PNG][]

魔数除了在JVM中有体现外，在其他地方，例如可执行文件ELF文件中也会用到魔数，它会检查这个magic number和预期的是否一样，如果不同，则表明该文件已损坏。还有在缓冲数组中放一个魔数来检测缓冲区溢出等。在JVM中只是作为一个身份标识符，表明该文件是一个字节码文件，如果魔数不是预期的固定值，JVM就会拒绝加载。

### 版本号 ###

接着是两个字节的版本号，分为次版本号Minor Version和主版本号Major Version，JDK更新会为Java带来一些新的特性，不同版本的JDK对应不同的class版本号：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:82.95pt;"> JDK版本 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:82.95pt;"> 1.6 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:82.95pt;"> 1.7 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:82.95pt;"> 1.8 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:83pt;"> 9 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:82.95pt;"> Class版本 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:82.95pt;"> 50 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:82.95pt;"> 51 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:82.95pt;"> 52 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:83pt;"> 53 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

对于高版本的JVM可以兼容低版本的Class，如果用低版本的JDK来编译Java程序，得到的.class字节码文件可以被叫高版本的JRE执行，反之，如果JRE版本较低，JDK版本较高，编译得到的字节码文件则无法向上兼容，被低版本的JRE执行。

![20200727133810689.PNG][]

从字节码文件的第5到第8字节的值，换算成十进制就可以得到版本号，如上图所示，前面两个字节00 00是次版本号，后面两个字节00 35是主版本号，十六进制0x35，即0011 0101，换算成十进制是53，.class字节码文件53对应的JDK版本号是JDK 9，表明该程序是由JDK 9编译的。

## 常量池结构 ##

常量池是.class字节码文件中极其重要的一部分，从上面javap –verbose命令分析出的字节码文件中可以看到，Java类中定义的各种变量和方法都存放在常量池里面。常量池的结构分为常量池长度和常量池数组，首先来看常量池长度，它标识的是常量池中元素的总数量：

![20200727133828143.PNG][]

字节码文件中的第9到10字节数据描述的就是常量池长度，十六进制0x5B换算成十进制就是91，表明有91个元素，但是注意，JVM中不使用第0个元素，所以其实常量池里一共有90个元素。

到常量池数组，用来存放Java类方法或变量元素，每一个元素在数组中都有一个标志位tag，类型为u1类型，也就是占一个字节，JVM根据标志位的值来判断该元素是什么类型，例如整形元素的u1值为3，浮点型元素u1值为4，字符串为8，Java类中的方法符号引用元素，u1的值为10等。

### 常量池元素 ###

接着往下走，常量池数量在字节码文件的第9-10个字节处，那么第11个字节就是常量池数组里的元素了，前面说到常量池元素前都会有一个字节的标志位tag，如下图：

![20200727133839689.PNG][]

第11个字节0x07对应的十进制是7，标志位7代表该元素是Java类或接口的引用，类或接口的引用元素结构除了一个字节的tag外还有两个字节的index，也就是第12-13字节0x00，0x02，所以从第14个字节开始，0x01表示的是第二个常量池元素的类型，tag等于1，表示这个元素是UTF-8编码的字符串元素，这种类型的元素结构除了一个字节的tag外，还有两个字节的length，和大小为length字节的bytes（假设length为2，则bytes所占字节为2）：

![20200727133851386.PNG][]

从上图我们可以看到，tag位0x01后两个字节为0x00和0x0B，转换对应的十进制等于11，也就是后面11个字节的数据，从0x68到0x6F，都是字符串元素。

### 父类常量元素 ###

接着往下走

![20200727133902402.PNG][]

下一个元素的标志位是07，上面说过该标志标识的是Java类或接口的信息，在这里表示的是父类常量元素，0x07后面两个字节0x00和0x04表示的是index，之后的0x01才是下一个元素的标志位tag，0x01，又是一个字符串元素，跟在标志位后面的两个字节标识长度，0x10转换十进制等于16，后面16个字节从0x6A到0x74，都是bytes数据，对应的字符串正好是java/lang/Object，为什么说它是父类常量元素呢？因为这个Java类没有去显示继承其他类，这样的类是初始化默认继承Java.lang.Object类的，它的父类就是Java.lang.Object类。

### 变量型常量元素 ###

接着往下走，我们就可以看到Java类中的变量元素，这些变量包括成员变量和类变量：

![20200727133915739.PNG][]

第一个元素，01 00 01 61，标识其是一个UTF-8编码的字符串，长度为1，数据61对应的是UTF-8编码的字符a，说明Java类中有一个变量a，它是什么类型的变量呢？往下看，01 00 13，标识的是长度为19的字符串，0x13后面19个字节数据都表示的是该元素，从0x4C到0x3B，每两个十六进制数据对应一个ASCII字符，表示的字符串就是“Ljava/util/Scanner;”，原来变量a是一个Scanner对象，同样的我们可以找到其他如Ljava/util/String类型的变量信息。

[20200727133736507.PNG]: /images/20230208/7f5a4c9bc95142188fb73a6e05dd1d39.png
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