Class 文件中的魔數(shù)、主次版本號與常量池

1. 前言

本節(jié)內(nèi)容主要是介紹 Class 文件結(jié)構(gòu)中的魔數(shù)、主次版本號與常量池。本節(jié)主要知識點(diǎn)如下：

• Class 文件的數(shù)據(jù)類型，概念性的知識，為本節(jié)基礎(chǔ)知識點(diǎn)；
• Class 文件結(jié)構(gòu)介紹，為本節(jié)次重點(diǎn)知識；
• 魔數(shù)的定義及所占字節(jié)空間，為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一；
• 次版本號與主版本號的定義及對照表，次版本號與主版本號為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一，版本號對照表為了解內(nèi)容；
• 常量池計(jì)數(shù)器與常量池的定義及意義，為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一。

2. Class文件數(shù)據(jù)類型

根據(jù) Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，Class 文件格式采用一種類似于 C 語言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)，這種偽結(jié)構(gòu)中只有兩種數(shù)據(jù)類型：無符號數(shù)和表。

• 無符號數(shù)：無符號數(shù)屬于基本的數(shù)據(jù)類型，以 u1、u2、u4、u8 來分別代表 1 個(gè)字節(jié)、2 個(gè)字節(jié)、4 個(gè)字節(jié)和 8 個(gè)字節(jié)；無符號數(shù)可以用來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或者按照 UTF-8 編碼構(gòu)成的字符串值；

• 表：表是由多個(gè)無符號數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，所有表都習(xí)慣性地以“info”結(jié)尾。表用于描述有層次關(guān)系的復(fù)合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，整個(gè) Class 文件本質(zhì)上就是一張表。

Tips：無符號數(shù)和表這兩種類型的數(shù)據(jù)，初次來看非常的抽象，從概念層面來看似乎很難理解。我們無需著急， 本節(jié)所講述的魔數(shù)，次版本號，主版本號以及常量池計(jì)數(shù)器皆為無符號數(shù)類型，而常量池為表類型，講解這些結(jié)構(gòu)時(shí)，我會為大家提供示意圖，使學(xué)習(xí)者從感官上看到這兩種數(shù)據(jù)類型，從而徹底理解這兩種數(shù)據(jù)類型。

3. Class 文件結(jié)構(gòu)

Class 文件是一組以（8位bit的）byte 字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進(jìn)制流。如下圖所示 Class 文件的字節(jié)碼示意圖：

上圖中被綠色框圈起來的則為標(biāo)準(zhǔn)的 Class 文件的樣子。左側(cè)為軟件本身提供的輔助信息，記錄當(dāng)前行前面總共有多少個(gè) byte (或者說多少個(gè) u1 )，用于快速定位數(shù)據(jù)(通過數(shù)據(jù)偏移量的方式。右側(cè)為直接以編輯器打開 Class 文件的樣子，顯示為亂碼。

Tips：使用普通的編輯器打開 Class 文件我們會看到亂碼，如果想要像上圖一樣觀察 Class 文件的話，需要下載專門的編輯器。WinHex 就具備這個(gè)功能，有興趣的同學(xué)可以安裝 WinHex 并使用。

4. 魔數(shù)（Magic Number）

定義：每個(gè) Class 文件的頭 4 個(gè)字節(jié)（u4）稱為魔數(shù)（Magic Number），它的唯一作用是確定這個(gè)文件是否為一個(gè)能被虛擬機(jī)接收的 Class 文件。所有 Class 文件，魔數(shù)均為 0xCAFEBABE。

Tips：從Class文件結(jié)構(gòu)圖中，我們可以看到，Class文件的開頭確實(shí)是CAFEBABE。下載并安裝 WinHex 的學(xué)習(xí)者，如果打開任意的一個(gè)Class文件，開頭也必然是CAFEBABE。

無符號數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖：前文提到，魔數(shù)是無符號數(shù)類型的數(shù)據(jù)，對于無符號數(shù)，我們通常以 u1、u2、u4、u8 來分別代表 1 個(gè)字節(jié)、2 個(gè)字節(jié)、4 個(gè)字節(jié)和 8 個(gè)字節(jié)。我們先來看下魔數(shù)的示意圖：

Tips：上文提到過，魔數(shù)開頭為 CAFEBABE，占用 4 個(gè)字節(jié)，無符號數(shù)表示為 u4，那么其中 CA,FE,BA,BE分別占用 1 個(gè)字節(jié)，無符號數(shù)表示為 u1。至此我們了解了魔數(shù)的定義及作用，并明白了何為無符號數(shù)類型，掌握了魔數(shù)的無符號數(shù)表示為 u4。

5. 次版本號與主版本號

學(xué)前疑問：學(xué)習(xí)者可能會有疑問，為什么標(biāo)題說的是次版本號與主版本號，次版本號在前，而主版本號在后呢？先次后主，是不是讀起來感覺有點(diǎn)別扭呢？

疑問解答：特別強(qiáng)調(diào)下，對于Class 文件結(jié)構(gòu)，第一部分為 u4 的魔數(shù)，魔數(shù)后邊緊跟的就是 u2 的次版本號，次版本號后邊才是 u2 的主版本號，此處需要特別注意，從結(jié)構(gòu)上來說，次版本號在前，主版本號在后。

定義：次版本號與主版本號共同標(biāo)識了我們所使用的的 JDK 版本，如 JDK 1.8.0 版本的次版本號為 u2 大小，用字節(jié)碼表示為 00 00，主版本號也是 u2 大小，用字節(jié)碼表示為 00 34。

• 次版本號：JDK 版本的小版本號；
• 主版本號：JDK 版本的大版本號。

Tips：如果 Class 文件的開頭 8 個(gè)字節(jié)分別為 CA FE BA BE 00 00 00 34，那么我們可以確定，這是一個(gè) JVM 可識別的 Class 文件，且使用的 JDK 1.8.0的版本進(jìn)行的編譯，因?yàn)榍?個(gè)字節(jié)魔數(shù)為 CA FE BA BE 符合標(biāo)準(zhǔn)，后4 個(gè)字節(jié) 00 00 00 34 為 JDK 1.8.0的版本。

無符號數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖：前文提到，次版本號與主版本號也是無符號數(shù)類型的數(shù)據(jù)。我們接下來看下魔數(shù)的示意圖：

Tips：至此我們了解了先次后主，了解了次版本號與主版本號分別占用 2 個(gè)字節(jié)，無符號數(shù)表示為 u2。同時(shí)我們從整體上了解了，魔數(shù)后邊為次版本號，次版本號后邊為主版本號。主版本號后邊緊跟的是什么？不要著急，我們繼續(xù)學(xué)習(xí)。

版本號對照表：開篇的前言部分已經(jīng)說過，對照表部分為了解內(nèi)容，這里簡單舉出幾個(gè)版本的對照表，了解一下即可。

6. 常量池計(jì)數(shù)器與常量池

Tips：前文提出過，主版本號后邊緊跟的是什么，現(xiàn)在我們揭開答案，主版本號后邊緊跟的是常量池計(jì)數(shù)器，常量池計(jì)數(shù)器后邊緊跟的是常量池。那么常量池后邊緊跟的是什么？此處又提出問題，我們后續(xù)講解會有解答。

定義：我們先來看下兩者的定義。

• 常量池計(jì)數(shù)器：記錄常量池中的常量的數(shù)量。由于常量池中的常數(shù)的數(shù)量是不固定的，所以在常量池的入口放置了一個(gè) u2 類型的數(shù)據(jù)，來代表常量池容器記數(shù)值（constant_pool_count）。常量池計(jì)數(shù)器也是無符號數(shù)類型數(shù)據(jù)。
• 常量池：Class 文件中的資源倉庫，它是 Class 文件結(jié)構(gòu)中與其他項(xiàng)目關(guān)聯(lián)最多的數(shù)據(jù)類型，也是占用Class文件空間最多的數(shù)據(jù)項(xiàng)目之一，同時(shí)它還是 Class 文件中第一個(gè)出現(xiàn)的表類型數(shù)據(jù)項(xiàng)目。

Tips：相信學(xué)習(xí)者對常量池的興趣會比較大，為什么這么說呢？從常量池定義中，我們看到了一句話：“它還是Class文件中第一個(gè)出現(xiàn)的表類型數(shù)據(jù)項(xiàng)目”。表類型數(shù)據(jù)，終于等到了 Class 文件的表類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們本節(jié)會為學(xué)習(xí)者提供表類型的機(jī)構(gòu)示意圖。

常量池計(jì)數(shù)器無符號數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖：我們還是要按照 Class 文件的結(jié)構(gòu)順序一步一步來說，先要搞明白常量池計(jì)數(shù)器，然后再去學(xué)習(xí)表類型的常量池。

常量池計(jì)數(shù)器，我們對于這種無符號數(shù)結(jié)構(gòu)其實(shí)已經(jīng)非常的了解了，所以此處我們點(diǎn)到即止，了解常量池計(jì)數(shù)器的定義及作用，了解了常量池計(jì)數(shù)器占用 u2 大小即可。

常量池表結(jié)構(gòu)示意圖：我們終于接觸到了 Class 文件中的表結(jié)構(gòu)，那么我們先睹為快，然后再講解常量池的重要知識點(diǎn)。

常量池中存儲的數(shù)據(jù)：常量池中主要存放著兩種常量，字面量（Literal）和符號引用（Synbolic References）。

• 字面量包括：文本字符、聲明為 final 的常量值、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的值等；
• 符號引用包括：類和接口的全限定名、字段的名稱和描述符、方法的名稱和描述符。

cp_info類型：cp_info 又可細(xì)分為 14 種結(jié)構(gòu)類型。下表中第二列所說的標(biāo)志，是指每一種數(shù)據(jù)類型的標(biāo)記值，此處做簡單了解即可。

7. 小結(jié)

本節(jié)講解了 Class 文件結(jié)構(gòu)開頭的 3 種結(jié)構(gòu)，魔數(shù)，次版本號與主版本號，常量池計(jì)數(shù)器與常量池。我們了解了它們的定義及意義，也了解了什么是無符號類型數(shù)據(jù)，什么是表類型數(shù)據(jù)，我們需要進(jìn)行重點(diǎn)掌握。

本節(jié)我們也拋出了問題，常量池后邊緊跟的結(jié)構(gòu)是什么？我們會在下篇課程中進(jìn)行講解。本節(jié)所了解到的無符號數(shù)與表類型數(shù)據(jù)，有助于我們后續(xù)對其他 Class 文件結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。