JVM之用Java解析class文件

JVM之用Java解析class文件

前言：

身为一个Java程序员，怎么能不了解JVM呢，倘若想学习JVM，那就又必须要了解Class 文件，Class之于虚拟机，就如鱼之于水，虚拟机因为Class而有了生命。《深入理解java 虚拟机》中花了一整个章节来讲解Class文件，可是看完后，一直都还是迷迷糊糊，似懂非懂。正好前段时间看见一本书很不错：《自己动手写Java虚拟机》，作者利用go语言实现了一个简单的JVM，虽然没有完整实现JVM的所有功能，但是对于一些对JVM稍感兴趣的人来说，可读性还是很高的。作者讲解的很详细，每个过程都分为了一章，其中一部分就是讲解如何解析Class文件。

这本书不太厚，很快就读完了，读完后，收获颇丰。但是纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，我便尝试着自己解析Class文件。go语言虽然很优秀，但是终究不熟练，尤其是不太习惯其把类型放在变量之后的语法，还是老老实实用java吧。

话不多说，先贴出项目地址：https:///HalfStackDeveloper/ClassReader Class文件

什么是Class文件？

java之所以能够实现跨平台，便在于其编译阶段不是将代码直接编译为平台相关的机器语言，而是先编译成二进制形式的java字节码，放在Class文件之中，虚拟机再加载Class 文件，解析出程序运行所需的内容。每个类都会被编译成一个单独的class文件，内部类也会作为一个独立的类，生成自己的class。

基本结构

随便找到一个class文件，用Sublime Text打开是这样的：

是不是一脸懵逼，不过java虚拟机规范中给出了class文件的基本格式，只要按照这个格式去解析就可以了：

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];

}

ClassFile中的字段类型有u1、u2、u4,这是什么类型呢？其实很简单，就是分别表示1个字节，2个字节和4个字节。

开头四个字节为：magic，是用来唯一标识文件格式的，一般被称作magic number（魔数），这样虚拟机才能识别出所加载的文件是否是class格式，class文件的魔数为cafebabe。不只是class文件，基本上大部分文件都有魔数，用来标识自己的格式。

接下来的部分主要是class文件的一些信息，如常量池、类访问标志、父类、接口信息、字段、方法等，具体的信息可参考《Java虚拟机规范》。

解析

字段类型

上面说到ClassFile中的字段类型有u1、u2、u4，分别表示1个字节，2个字节和4个字节的无符号整数。java中short、int、long分别为2、4、8个字节的有符号整数，去掉符号位，刚好可以用来表示u1、u2、u4。

public class U1 {

public static short read(InputStream inputStream) {

byte[] bytes = new byte[1];

try {

inputStream.read(bytes);

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

short value = (short) (bytes[0] & 0xFF);

return value;

}

}

public class U2 {

public static int read(InputStream inputStream) {

byte[] bytes = new byte[2];

try {

inputStream.read(bytes);

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

int num = 0;

for (int i= 0; i < bytes.length; i++) {

num <<= 8;

num |= (bytes[i] & 0xff);

}

return num;

}

} public class U4 {

public static long read(InputStream inputStream) {

byte[] bytes = new byte[4];

try {

inputStream.read(bytes);

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

long num = 0;

for (int i= 0; i < bytes.length; i++) {

num <<= 8;

num |= (bytes[i] & 0xff);

}

return num;

}

}

常量池

定义好字段类型后，我们就可以读取class文件了，首先是读取魔数之类的基本信息，这部分很简单：

FileInputStream inputStream = new FileInputStream(file); ClassFile classFile = new ClassFile();

classFile.magic = U4.read(inputStream);

classFile.minorVersion = U2.read(inputStream);

classFile.majorVersion = U2.read(inputStream);

这部分只是热热身，接下来的大头在于常量池。解析常量池之前，我们先来解释一下常量池是什么。

常量池，顾名思义，存放常量的资源池，这里的常量指的是字面量和符号引用。字面量指的是一些字符串资源，而符号引用分为三类：类符号引用、方法符号引用和字段符号引用。通过将资源放在常量池中，其他项就可以直接定义成常量池中的索引了，避免了空间的浪费，不只是class文件，Android可执行文件dex也是同样如此，将字符串资源等放在DexData 中，其他项通过索引定位资源。java虚拟机规范给出了常量池中每一项的格式：

cp_info {