Java Class文件详解 认识java的Class类

Class 类是在Java语言中定义一个特定类的实现。一个类的定义包含成员变量,成员方法,还有这个类实现的接口,以及这个类的父类。Class类的对象用于表示当前运行的 Java 应用程序中的类和接口。 比如:每个数组均属于一个 Class 类对象,所有具有相同元素类型和维数的数组共享一个Class 对象。基本的 Java 类型(boolean, byte, char, short, int, long, float 和 double) 和 void 类型也可表示为 Class 对象。

一,class类有什么用?

   class类的实例表示java应用运行时的类(class ans enum)或接口(interface and annotation)(每个java类运行时都在JVM里表现为一个class对象,可通过类名.class,类型.getClass(),Class.forName("类名")等方法获取class对象)。数组同样也被映射为为class 对象的一个类,所有具有相同元素类型和维数的数组都共享该 Class 对象。基本类型boolean,byte,char,short,int,long,float,double和关键字void同样表现为 class  对象。

二,class类的特征
    class类没有公有的构造方法,它由JVM自动调用(在new对象或者加载-classLoader时)。

    下面的方法作用是打印出对象的class name:

 void printClassName(Object obj) {
         System.out.println("The class of " + obj +
                            " is " + obj.getClass().getName());
   }
  同样可以根据class literal 获得class name:
  System.out.println("The name of class Foo is: "+Foo.class.getName());//你可以将Foo改为void尝试下。
三,class的主要方法

class类的方法还是挺多的。主要是用于得到运行时类的相关信息(可用于反射)。

  重要的几个方法:

1, public static Class<?> forName(String className) :natice 方法,动态加载类。非常重要。
       如在sql中动态加载驱动程序:class.forName(sqlDriver);

2,public T newInstance() :根据对象的class新建一个对象,用于反射。非常重要。
       可用在反射中构建对象,调用对象方法:

       class doubleClass= class.forName("java.lang.Double");

       Object objDouble = doubleClass.newInstance();

       如在javaBean中就应用了这个方法,因为java默认要有一个无参构造函数。

3, public ClassLoader getClassLoader() :获得类的类加载器Bootstrap  ,Extension ,System or user custom      ClassLoader(一般为system classloader)。重要。

4,public String getName() :获取类或接口的名字。记住enum为类,annotation为接口。重要

5,public native Class getSuperclass():获取类的父类,继承了父类则返回父类,否则返回java.lang.Object。返回Object的父类为空-null。一般
6,public java.net.URL getResource(String name) :根据字符串获得资源。

7,其他类 

 public boolean isEnum() :判断是否为枚举类型。

 public native boolean isArray() :判断是否为数组类型。

 public native boolean isPrimitive() :判断是否为基本类型。
 public boolean isAnnotation() :判断是否为注解类型。


public Package getPackage() :反射中获得package,如java.lang.Object 的package为java.lang。

public native int getModifiers() : 反射中获得修饰符,如public static void等 。

public Field getField(String name):反射中获得域成员。

public Field[] getFields() :获得域数组成员。    
public Method[] getMethods() :获得方法。

public Method getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes):加个Declared代表本类,继承,父类均不包括。

public Constructor<?>[] getConstructors() :获得所有的构造函数。

如此我们可以知道反射可以运行时动态获得类的所有信息,并新建对象(newInstance()方法)。

Class文件中包含以下信息:

[+]view code

1. 通过实例来看

[+]view code

我们使用WinHex查看Sub类的.class文件:

2. 魔数

作用:确定该文件是否是虚拟机可接受的class文件。java的魔数统一为 0xCAFEBABE (来源于一款咖啡)。

区域:文件第0~3字节。

3. 版本号

作用:表示class文件的版本,由minorversion和majorversion组成。

区域:文件第4~7字节。

51代表,jdk为1.7.0

需要注意的是java版本号是从45开始的,大版本发布,主版本号+1.高版本的jdk能向下兼容以前版本的class文件,但不兼容以后版本的class文件。

4. 常量池

常量池的大小是不固定的,根据你的类中的常量的多少而定,所以在常量池的入口,放置了一个u2类型的表示常量池中常量个数的常量池容量计数器。计数器从1开始,第0位有特殊含义,表示指向常量池的索引值数据不引用任何一个常量池项目。池中的数据项就像数组一样是通过索引访问的。

我们可以清楚的看到,我们常量池中有63-1=62个常量。这些常量是什么呢?

要存放字面量Literal和符号引用Symbolic References。

字面量可能是文本字符串,或final的常量值。
符号引用包括以下:

类或接口全限定名 Full Qualified Name

字段名称和描述符 Descriptor

方法名称和描述符

我们使用反编译工具查看一下:

[+]view code

常量池中的项目类型如下:

CONSTANT_Utf8_info      tag标志位为1,   UTF-8编码的字符串

CONSTANT_Integer_info  tag标志位为3, 整形字面量

CONSTANT_Float_info     tag标志位为4, 浮点型字面量

CONSTANT_Long_info     tag标志位为5, 长整形字面量

CONSTANT_Double_info  tag标志位为6, 双精度字面量

CONSTANT_Class_info    tag标志位为7, 类或接口的符号引用

CONSTANT_String_info    tag标志位为8,字符串类型的字面量

CONSTANT_Fieldref_info  tag标志位为9,  字段的符号引用

CONSTANT_Methodref_info  tag标志位为10,类中方法的符号引用

CONSTANT_InterfaceMethodref_info tag标志位为11, 接口中方法的符号引用

CONSTANT_NameAndType_info tag 标志位为12,字段和方法的名称以及类型的符号引用

5. 类或接口访问标志

表示类或者接口方面的访问信息,比如Class表示的是类还是接口,是否为public、static、final等。,下面我们就来看看TestClass的访问标示。Class的访问标志值为0x0021:

根据前面说的各种访问标示的标志位,我们可以知道:0x0021=0x0001|0x0020 也即ACC_PUBLIC 和 ACC_SUPER为真,其中ACC_PUBLIC大家好理解,ACC_SUPER是jdk1.2之后编译的类都会带有的标志。

6. 类索引、父类索引与接口索引集合

Class文件中由这3项数据来确定类的继承关系。

类索引和父类索引都是指向常量池中的常量索引:

紧接着后面是一个接口的计数器和接口描述符:

7. 字段表集合

作用:描述接口或者类中声明的类变量以及实例变量,不包括方法中的局部变量。

紧接着接口索引集合之后的2字节是字段计数器:

表示我们类中有3个字段,这里便是subInt、subString、subObject 3个字段。紧接其后的是字段表,字段表结构为:

[+]view code

access_flags项的值是用于定义字段被访问权限和基础属性的掩码标志。取值范围如下表:

描述符标识字符含义:

V 表示特殊类型void。

对于数组类型,每一个维度将使用一个前置的”["字符来描述,如一个定义的"java.lang.String[][]“类型的二维数组,将被记录为:”[[Ljava/lang/String;",一个整型数组"int[]“将被记录为”[I"

父类中的字段不会出现在子类的字段表中。

8. 方法表集合

字段表集合结束后便是方法表集合。

作用:描述该类中的方法。

和字段表一样,使用一个u2类型的方法计数器,记录该类中方法的个数。

表示我们的类中有9个方法

方法表的结构如下图所示

其中name_index和descriptor_index表示的是方法的名称和描述符,他们分别是指向常量池的索引。这里需要结解释一下方法的描述符,方法的描述符的结构为:(参数列表)返回值,比如public int instanceMethod(int param)的描述符为:(I)I,表示带有一个int类型参数且返回值也为int类型的方法,方法java.lang.String.toString()的描述符为"()Ljava/lang/String;",int IndexOf(char[] source,int sourceOffset,int sourceCount,char[] target int targetOffset,int targetCount,int fromIndex) 表示为([CII[CII)I。接下来就是属性数量以及属性表了,方法表和字段表虽然都有 属性数量和属性表,但是他们里面所包含的属性是不同。

如果父类方法在子类中没有被重写(@Override),方法表中就不会出现来自父类的方法信息。

9. 属性表集合

上面的方法表中我们就看到<init>方法有一个Code的属性。在本节我们将阐述这些属性:

Code属性:

该属性里主要存放由javac编译器处理后得到的字节码指令。

其中attribute_name_index指向常量池中值为Code的常量,attribute_length的长度表示Code属性表的长度(这里 需要注意的时候长度不包括attribute_name_index和attribute_length的6个字节的长度)。

max_stack表示最大栈深度,虚拟机在运行时根据这个值来分配栈帧中操作数的深度,而max_locals代表了局部变量表所需的存储空间。

max_locals的单位为slot,slot是虚拟机为局部变量分配内存的最小单元,在运行时,对于不超过32位类型的数据类型,比如 byte,char,int等占用1个slot,而double和Long这种64位的数据类型则需要分配2个slot,另外max_locals的值并不是所有局部变量所需要的内存数量之和,因为slot是可以重用的,当局部变量超过了它的作用域以后,局部变量所占用的slot就会被重用。方法参数、显示异常处理器的参数、方法体中定义的局部变量都要使用局部变量表来存放。

code_length代表了字节码指令的数量,而code表示的是字节码指令,从上图可以知道code的类型为u1,一个u1类型的取值为0x00-0xFF,对应的十进制为0-255,目前虚拟机规范已经定义了200多条指令。

exception_table_length以及exception_table分别代表方法对应的异常信息。

attributes_count和attribute_info分别表示了Code属性中的属性数量和属性表,从这里可以看出Class的文件结构中,属性表是很灵活的,它可以存在于Class文件,方法表,字段表以及Code属性中。

修改一下Sub中的InterB方法:

[+]view code

大家不妨先猜一下这个函数的结果是什么?假如在try块中发生异常,结构又是什么?我相信对Java语言熟悉的朋友,肯定知道答案。

使用反编译工具查看:

[+]view code

从 args_size=2这条反编译代码,我们可以知道,在public int interB(int i)这个方法中有6个局部变量,2个参数,可是我们的函数中明明只有一个参数么……这是因为编译器会为每一个实例函数包括构造器添加一个参数this,在JVM调用该方法的时候会该形参传递一个实参―方法所在对象的自身。

      Exception table:

         from    to   target    type

             2       9       14         Class java/lang/Exception

             2       9       25         any

            14      20    25         any

上表表头表示,当字节码在form行到to行(不包括to行)出现类型为type的异常,则转到第target行继续处理。

从方法的异常表中,我们可以看到这个函数有3条执行路径:

这里我们插入阐述一下LineNumberTable表的含义:它表示Java源码行号与字节码行号之间的对应关系。

对照上图,我们能清晰的看出这3条路径。

知道了该方法执行的3条路径,我们也就知道刚才我们的那个问题有3个答案:没有异常是为x+i;try块中出现Exception类型的错误时,返回-1;出现Exception以外的任何异常方法非正常结束,没有返回值。

      LocalVariableTable:

        Start  Length  Slot  Name   Signature

               0      32        0      this         Lcom/gissky/clazz/Sub;

               0      32        1        i             I

               2      30        2        x            I

              15    10        3        e            Ljava/lang/Exception;

LocalVariableTable表示局部变量表,描述方法中局部变量。

如果你对返回的答案能理解的话,那么我相信你也肯定知道,我们函数中只有4个参数,但max_locals却等于6。不懂的话仔细看一下Code中字节码的执行过程变可以理解了。

一个方法在执行时需要多大的局部变量空间在编译时期就知道了,方法执行期间不会改变局部变量表的大小。

Signature 属性:

该属性是在JDK1.5新增的。该属性可用于类、属性表和方法表结构的属性表中。使用泛型签名如果包含了类型变量(Type Variables)或参数化类型(Parameterized Types),则Signature 属性会为它记录泛型签名信息。当我们要泛型类中拿到泛型的实际类型的时候非常有用。

实例:

在使用Hibernate时,我习惯将为Dao层封装一个泛型基类,来放置一些通用的方法,而Hibernate有很多方法都要传递一个POJO的类型,然后进行查询,如load方法。我们构建这样的一个基类:

public abstract class BaseDaoImpl<T, PK extends Serializable> extends HibernateDaoSupport implements BaseDao<T, PK>

那么load中要使用的POJO类型便是T的实际类型。怎么来那倒这个属性呢?这里边要使用到Signature属性了。

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这时,getById中就可以直接使用了:

    public T getById(PK id) {

        return (T) getHibernateTemplate().load(entityClass, id);

    } 

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