摘要：本文已收錄修煉內功躍遷之路學習語言的時候，需要在不同的目標操作系統上或者使用交叉編譯環境，使用正確的指令集編譯成對應操作系統可運行的執行文件，才可以在相應的系統上運行，如果使用操作系統差異性的庫或者接口，還需要針對不同的系統做不同的處理宏的

本文已收錄【修煉內功】躍遷之路

學習C語言的時候，需要在不同的目標操作系統上(或者使用交叉編譯環境)，(使用正確的CPU指令集)編譯成對應操作系統可運行的執行文件，才可以在相應的系統上運行，如果使用操作系統差異性的庫或者接口，還需要針對不同的系統做不同的處理(宏)

Java的出現也正是為了解決"平臺無關性"，"Write Once, Run Anywhere"的口號也充分表達了軟件開發人員對沖破平臺接線的渴求

"與平臺無關"的最終實現還是要在操作系統的應用層上，這便是JVM的存在，不同的平臺有不同的JVM，而所有的JVM都可以載入與平臺無關的字節碼，從而實現程序的"一次編寫，到處運行"

JVM并非只為Java設計，而字節碼也并非只有Java才可以編譯得到，早在Java發展之初，設計者便將Java規范拆分為Java語言規范及Java虛擬機規范，同時也承諾，對JVM做適當的擴展，以便更好地支持其他語言運行于JVM之上，而這一切的基礎便是Class文件(字節碼文件)，Class文件中存放了JVM可以理解運行的字節碼命令

In the future, we will consider bounded extensions to th Java virtual machine to provide better support for other languages

JVM并不關心Class的來源是何種語言，在JVM發展到1.7~1.8的時候，設計者通過JSR-292基本兌現了以上承諾

本篇不會去詳細地介紹如何去解析Class文件，目的是為了了解Class文件的結構，Class文件中都包含哪些內容

Class文件可以由JVM加載并執行，其中記錄了類信息、變量信息、方法信息、字節碼指令等等，雖然JVM加載Class之后(在JIT之前)進行的是解釋執行，但Class文件并不是文本文件，而是被嚴格定義的二進制流文件

接下來，均會以這段代碼為示例進行分析

import java.io.Serializable;

public class ClassStruct implements Serializable {
    private static final String HELLO = "hello";
    private String name;

    public ClassStruct(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void print() {
        System.out.println(HELLO + ": " + name);
    }

    public static void main(String[] args) {
        ClassStruct classStruct = new ClassStruct("ManerFan");
        classStruct.print();
    }
}

使用$ javac ClassStruct.java進行編譯，編譯后的文件可以使用$ javap -p -v ClassStruct查看Class文件的內容(見文章末尾)

很多文件存儲都會使用魔數來進行身份識別，比如圖片文件，即使將圖片文件改為不正確的后綴，絕大多數圖片預覽器也會正確解析

同樣Class文件也不例外，使用二進制模式打開Class文件，會發現所有Class文件的前四個字節均為OxCAFEBABE，這個魔術在Java還被稱為"Oak"語言的時候就已經確定下來了

緊接著魔術的四個字節(接下來不再對照二進制進行查看，而是直接查看javap幫我們解析出來的結果，見文章末尾)存儲的是Class文件的版本號，前兩個字節為次版本號(minor version)，后兩個字節為主版本號(major version)

Java版本號從45開始，高版本的JDK可以向下兼容低版本的Class文件，但無法向上兼容高版本，即使文件格式并未發生變化

緊接著主次版本號之后的是常量池入口

常量池中主要存放兩大類常量：字面量(Literal)和符號引用(Symbolic Reference)

字面量：如文本字符串、被聲明為final的常量值等
符號引用：類和接口的全限定名(Fully Qualified Name)、字段的名稱和描述(Descriptor)、方法的名稱和描述符

Java代碼在進行編譯時，并不像C或C++那樣有"連接"這一步驟，而是在虛擬機加載Class文件時進行動態連接，Class文件中不會保存各方法和字段的內存布局，在虛擬機運行時，需要從常量池中獲得對應的符號引用，再在類創建或運行時解析并翻譯到具體的內存地址中，才能被虛擬機使用

訪問標志用于識別一些類或接口層次的訪問信息

訪問標志用于識別這個Class是類還是接口；是否定義為public；是否為abstract類型；是否聲明為final；等等，具體標志含義如下

Class文件中由類索引(this_class)、父類索引(super_class)及接口索引集合(interfaces)三項數據確定這個類的繼承關系

父類索引只有一個(對應extends語句)，而接口索引則是一個集合(對應implements語句)

字段表(field_info)用于描述類或者接口中聲明的變量

字段(field)包括了類級變量(如static)及實例級變量，但不包括在方法內部聲明的變量

字段包含的信息有：作用域(public、private、protected)、類級還是實例級(static)、可變性(final)、并發可見性(volatile)、可否序列化(transient)、數據類型、字段名等

這里簡單解釋一下描述符(descriptor)

描述符用來描述字段數據類型、方法參數列表和返回值，根據描述符規則，基本數據類型及代表無返回值的void類型都用一個大寫字符表示，對象類型則用字符L加對象全限定名來表示

對于數組，每一個維度使用一個前置的[來描述，如java.lang.String[][]將被記錄為[[java/lang/String;，int[]將被記錄為[I

描述方法時，按照先參數列表，后返回值的順序描述，參數列表放在()內，如void inc()描述符為()V，方法java.lang.String toString()描述符為()Ljava/lang/String;，方法int indexOf(char[] source, int sourceOffset, int sourceCount, char[] target, int targetOffset, int targetCount, int fromIndex的描述符為([CII[CIII)I

Class文件中對方法的描述與對字段的描述幾乎采用了完全一致的方式，方法表的結構依次包括了訪問標志(access_flags)、名稱索引(name_index)、描述符索引(descriptor_index)、屬性表集合(attributes)，但是方法內部的代碼并不在方法表中，而是經過編譯器編譯成字節碼指令后，存放在屬性表集合中一個名為"Code"的屬性中

在Class文件、字段表、方法表中都可以攜帶自己的屬性表集合，用于描述某些場景專有的信息，Java虛擬機規范中預定義了9種虛擬機實現應當能識別的屬性

關于屬性表，會在之后的文章中穿插介紹

Classfile ~/articles/【修煉內功】躍遷之路/JVM/[JVM] 類文件結構/src/ClassStruct.class
  Last modified 2019-6-2; size 829 bytes
  MD5 checksum 9f7454acd0455837a33ff8e03edffdb3
  Compiled from "ClassStruct.java"
public class ClassStruct implements java.io.Serializable
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #14.#31        // java/lang/Object."":()V
   #2 = Fieldref           #6.#32         // ClassStruct.name:Ljava/lang/String;
   #3 = Fieldref           #33.#34        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #4 = Class              #35            // java/lang/StringBuilder
   #5 = Methodref          #4.#31         // java/lang/StringBuilder."":()V
   #6 = Class              #36            // ClassStruct
   #7 = String             #37            // hello:
   #8 = Methodref          #4.#38         // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   #9 = Methodref          #4.#39         // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
  #10 = Methodref          #40.#41        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #11 = String             #42            // ManerFan
  #12 = Methodref          #6.#43         // ClassStruct."":(Ljava/lang/String;)V
  #13 = Methodref          #6.#44         // ClassStruct.print:()V
  #14 = Class              #45            // java/lang/Object
  #15 = Class              #46            // java/io/Serializable
  #16 = Utf8               HELLO
  #17 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               ConstantValue
  #19 = String             #47            // hello
  #20 = Utf8               name
  #21 = Utf8               
  #22 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #23 = Utf8               Code
  #24 = Utf8               LineNumberTable
  #25 = Utf8               print
  #26 = Utf8               ()V
  #27 = Utf8               main
  #28 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #29 = Utf8               SourceFile
  #30 = Utf8               ClassStruct.java
  #31 = NameAndType        #21:#26        // "":()V
  #32 = NameAndType        #20:#17        // name:Ljava/lang/String;
  #33 = Class              #48            // java/lang/System
  #34 = NameAndType        #49:#50        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #35 = Utf8               java/lang/StringBuilder
  #36 = Utf8               ClassStruct
  #37 = Utf8               hello:
  #38 = NameAndType        #51:#52        // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #39 = NameAndType        #53:#54        // toString:()Ljava/lang/String;
  #40 = Class              #55            // java/io/PrintStream
  #41 = NameAndType        #56:#22        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #42 = Utf8               ManerFan
  #43 = NameAndType        #21:#22        // "":(Ljava/lang/String;)V
  #44 = NameAndType        #25:#26        // print:()V
  #45 = Utf8               java/lang/Object
  #46 = Utf8               java/io/Serializable
  #47 = Utf8               hello
  #48 = Utf8               java/lang/System
  #49 = Utf8               out
  #50 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #51 = Utf8               append
  #52 = Utf8               (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #53 = Utf8               toString
  #54 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #55 = Utf8               java/io/PrintStream
  #56 = Utf8               println
{
  private static final java.lang.String HELLO;
    descriptor: Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_FINAL
    ConstantValue: String hello

  private java.lang.String name;
    descriptor: Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PRIVATE

  public ClassStruct(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: aload_0
         5: aload_1
         6: putfield      #2                  // Field name:Ljava/lang/String;
         9: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
        line 8: 4
        line 9: 9

  public void print();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: new           #4                  // class java/lang/StringBuilder
         6: dup
         7: invokespecial #5                  // Method java/lang/StringBuilder."":()V
        10: ldc           #7                  // String hello:
        12: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        15: aload_0
        16: getfield      #2                  // Field name:Ljava/lang/String;
        19: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        22: invokevirtual #9                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
        25: invokevirtual #10                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        28: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 28

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=3, locals=2, args_size=1
         0: new           #6                  // class ClassStruct
         3: dup
         4: ldc           #11                 // String ManerFan
         6: invokespecial #12                 // Method "":(Ljava/lang/String;)V
         9: astore_1
        10: aload_1
        11: invokevirtual #13                 // Method print:()V
        14: return
      LineNumberTable:
        line 16: 0
        line 17: 10
        line 18: 14
}
SourceFile: "ClassStruct.java"

參考：
深入理解Java虛擬機