在软件测试中浅谈JAVA CLASS文件结构

在软件测试中浅谈JAVA CLASS文件结构

从上图中可以看到，一个 Java 类文件大致可以归为 10 个项：

• Magic：该 项存放了一个 Java 类文件的魔数（magic number）和版本信息。一个 Java 类文件的前 4 个字节被称为它的魔数。每个正确的 Java 类文件都是以 0xCAFEBABE 开头的，这样保证了 Java 虚拟机能很轻松的分辨出 Java 文件和非 Java 文件。
• Version：该项存放了 Java 类文件的版本信息，它对于一个 Java 文件具有重要的意义。因为 Java 技术一直在发展，所以类文件的格式也处在不断变化之中。类文件的版本信息让虚拟机知道如何去读取并处理该类文件。
• Constant Pool：该 项存放了类中各种文字字符串、类名、方法名和接口名称、final 变量以及对外部类的引用信息等常量。虚拟机必须为每一个被装载的类维护一个常量池，常量池中存储了相应类型所用到的所有类型、字段和方法的符号引用，因此 它在 Java 的动态链接中起到了核心的作用。常量池的大小——平均占到了整个类大小的 60% 左右。
• Access_flag：该项指明了该文件中定义的是类还是接口（一个 class 文件中只能有一个类或接口），同时还指名了类或接口的访问标志，如 public，private, abstract 等信息。
• This Class：指向表示该类全限定名称的字符串常量的指针。
• Super Class：指向表示父类全限定名称的字符串常量的指针。
• Interfaces：一个指针数组，存放了该类或父类实现的所有接口名称的字符串常量的指针。以上三项所指向的常量，特别是前两项，在我们用 ASM 从已有类派生新类时一般需要修改：将类名称改为子类名称；将父类改为派生前的类名称；如果有必要，增加新的实现接口。
• Fields：该项对类或接口中声明的字段进行了细致的描述。需要注意的是，fields 列表中仅列出了本类或接口中的字段，并不包括从超类和父接口继承而来的字段。
• Methods：该 项对类或接口中声明的方法进行了细致的描述。例如方法的名称、参数和返回值类型等。需要注意的是，methods 列表里仅存放了本类或本接口中的方法，并不包括从超类和父接口继承而来的方法。使用 ASM 进行 AOP 编程，通常是通过调整 Method 中的指令来实现的。
• Class attributes：该项存放了在该文件中类或接口所定义的属性的基本信息。

以下转载自：http://edu.cryes.com/program/java/27962.html
Java文件结构用类似struct的描述如下:
ClassFile {
u4 magic; // 必须为: 0xCAFEBABE
u2 minor_version;
u2 major_version; //CLASS文件结构主次版本号 JAVA2支持45.0-46.0
u2 constant_pool_count; //记录常量信息
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; //计数从1开始
u2 access_flags; //class/interface访问权限
u2 this_class; //指向constant_poll中的有效索引值
u2 super_class; //0或指向constant_poll中的有效索引值,对于interface必须为非0
u2 interfaces_count; //superinterfaces的个数
u2 interfaces[interfaces_count]; //计数[0,count-1) 对应constant_pool中的一个索引值
u2 fields_count; 
field_info fields[fields_count]; //主要用于记录class及实例中的变量
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
cp_info {
u1 tag; 
u1 info[]; 
} 
tag 意义如下: 

CONSTANT_Class                7    
        CONSTANT_Fieldref             9  
        CONSTANT_Methodref            10  
        CONSTANT_InterfaceMethodref   11  
        CONSTANT_String               8  
        CONSTANT_Integer              3  
        CONSTANT_Float                4  
        CONSTANT_Long                 5  
        CONSTANT_Double               6  
        CONSTANT_NameAndType          12  
        CONSTANT_Utf8                 1  

此时cp_info分别对应结构变化为

1. CONSTANT_Class 
        CONSTANT_Class_info {
                u1 tag;
                u2 name_index;
        }

        2. CONSTANT_Fieldref
          CONSTANT_Fieldref_info {
                    u1 tag;
                    u2 class_index;  //constant_pool的索引，对应CONSTANT_Class_info 
                    u2 name_and_type_index;//constant_pool的索引，对应CONSTANT_NameAndType_info 
          }

        3. CONSTANT_Methodref
           CONSTANT_Methodref_info {
                    u1 tag;
                    u2 class_index;
                    u2 name_and_type_index;
           }

        4. CONSTANT_InterfaceMethodref
           CONSTANT_InterfaceMethodref_info {
                    u1 tag;
                    u2 class_index;
                    u2 name_and_type_index;
           }

        5. CONSTANT_String
           CONSTANT_String_info {
                    u1 tag;
                    u2 string_index;
            }

        6. CONSTANT_Integer
            CONSTANT_Integer_info {
                    u1 tag;
                    u4 bytes;
            }


        7. CONSTANT_Float
           CONSTANT_Float_info {
                    u1 tag;
                    u4 bytes;
           }

        8. CONSTANT_Long
            CONSTANT_Long_info {
                    u1 tag;
                    u4 high_bytes;
                    u4 low_bytes;
             }

        9. CONSTANT_Double
           CONSTANT_Double_info {
                    u1 tag;
                    u4 high_bytes;
                    u4 low_bytes
           }

        10.CONSTANT_NameAndType
            CONSTANT_NameAndType_info {
                    u1 tag;
                    u2 name_index;
                    u2 descriptor_index;
            }

        11.CONSTANT_Utf8
            CONSTANT_Utf8_info {
                    u1 tag;
                    u2 length;
                    u1 bytes[length];
            }

access_flags意义如下:

ACC_PUBLIC     0x0001  
        ACC_FINAL      0x0010  
        ACC_SUPER      0x0020  
        ACC_INTERFACE  0x0200  
        ACC_ABSTRACT   0x0400  

如果是interface那么必须置ACC_INTERFACE,如果没有置ACC_INTERFACE则定义的是一个类而非接口。
如果设置了ACC_INTERFACE，那么ACC_ABSTRACT位也必须被设置，当然也可以设置ACC_PUBLIC。
ACC_SUPER用以表明invokespecial语义,Sun公司老的JAVA编译器没有设置ACC_SUPER,并且老的JVM
忽略ACC_SUPER位，但新的编译器应该实现invokespecial语义。
其他未指明的位保留将来使用，并且编译器应当将其置为0，同时Java虚拟机应当忽略他们。
this_class: constant_pool中的索引值,指向的元素的cp_info等价为CONSTANT_Class_info 
CONSTANT_Class_info {
u1 tag; //必须为CONSTANT_Class (7)
u2 name_index; //为指向constant_pool中的一个索引值
}
name_index :指向的元素的cp_info等价为CONSTANT_Utf8_info 
CONSTANT_Utf8_info {
u1 tag; //必须为CONSTANT_Utf8 (1)
u2 length; 
u1 bytes[length]; //Utf8编码的字符串
}
field_info {
u2 access_flags; //访问控制权
u2 name_index; //constant_pool中的索引，对应于CONSTANT_Utf8_info描述。
u2 descriptor_index; //constant_pool中的索引，对应于CONSTANT_Utf8_info描述。
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count]; //attribute_info将在mothods后描述。
}
field_info中access_flages意义如下:
ACC_PUBLIC 0x0001
ACC_PRIVATE 0x0002
ACC_PROTECTED 0x0004
ACC_STATIC 0x0008
ACC_FINAL 0x0010
ACC_VOLATILE 0x0040
ACC_TRANSIENT 0x0080
其中很显然不能同时为ACC_FINAL和ACC_VOLATILE ;且前三项是互斥的。
interface必须置ACC_PUBLIC, ACC_STATIC,ACC_FINAL位，且不能置其他位。
其他未指明的位保留将来使用，并且编译器应当将其置为0，同时Java虚拟机应当忽略他们。
methods指明了类中的所有方法。
method_info {
u2 access_flags;
u2 name_index; //指向constant_pool的入口，对应为CONSTANT_Utf8_info 
u2 descriptor_index; //指向constant_pool的入口，对应为CONSTANT_Utf8_info
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
//此处只能出现Code、Exceptions、Synthetic、Deprecated四种类型的属性
}

access_flags访问权描述如下:

ACC_PUBLIC        0x0001 
            ACC_PRIVATE       0x0002 
            ACC_PROTECTED     0x0004 
            ACC_STATIC        0x0008 
            ACC_FINAL         0x0010 
            ACC_SYNCHRONIZED  0x0020 
            ACC_NATIVE        0x0100 
            ACC_ABSTRACT      0x0400 
            ACC_STRICT        0x0800  

attribute_info {
u2 attribute_name_index; //constant_pool中的索引，对应于CONSTANT_Utf8_info描述。
u4 attribute_length;
u1 info[attribute_length];
}
现在已经预定义的属性有:
1. SourceFile : attribute_info被替代为:
SourceFile_attribute {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length;
u2 sourcefile_index; //指向constant_pool中的一个CONSTANT_Utf8_info 结构。
}
2. ConstantValue : attribute_info被替代为:
ConstantValue_attribute {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length; //必须为2
u2 constantvalue_index;
}