Java 文件都会被编译成 class 文件，那么 class 文件长什么样子呢？它记录了哪些信息呢？本文就来分析一下 class 文件的结构。

先写一段简单的 Java 程序

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, world!");
    }
}

通过 javac 命令编译成 class 文件

javac Hello.java

执行这个命令后，就会在当前目录下生成 Hello.class 文件

通过十六进制编辑器 WinHex 打开这个 class 文件：

Hello.class

WinHex 下载地址：http://www.x-ways.net/winhex.zip

一、CAFEBABE

每个 Class 文件的头四个字节称为魔数，它的唯一作用是标识这是一个 Class 文件。为什么不采用扩展名来识别呢？这是因为扩展名可以随意改动。

Class 文件的魔数的值为 0xCAFEBABE，直译为咖啡宝贝，这个魔数似乎预示了 Java 标志性商标“咖啡”的出现。

二、版本号

紧接着四个字节存储的是 Class 文件的版本号：第 5 和第 6 个字节是次版本号，第 7 和第 8 个字节是主版本号。JDK 1.1 之后，每个 JDK 大版本发布，主版本号加一。主版本号从 45 开始，例如：JDK 1.0~1.3 使用了 45.0~45.3 的版本号。高版本的 JDK 能向下兼容以前的 Class 文件，但每个 JDK 都不允许向上兼容，也就是不允许执行更高版本的 Class 文件。

可以看到，本例中，5~8 字节分别是 00 00 37 00，换算成 16 进制，也就是 55，对应 Java 11，通过 java -version 可以检验这个结论。

λ java --version
openjdk 11 2018-09-25
OpenJDK Runtime Environment 18.9 (build 11+28)
OpenJDK 64-Bit Server VM 18.9 (build 11+28, mixed mode)

三、常量池

版本号之后是常量池，可以通过二进制信息计算常量池的内容，也可以直接用 javap -verbose 命令看到常量池信息。

λ javap -verbose Hello
Classfile /D:/projects/Hello.class
  Last modified 2022年1月4日; size 417 bytes
  MD5 checksum 9bf221f2b01a4652155c0e0b9c8cdf81
  Compiled from "Hello.java"
public class Hello
  minor version: 0
  major version: 55
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  this_class: #5                          // Hello
  super_class: #6                         // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 0, methods: 2, attributes: 1
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#15         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #16.#17        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #18            // Hello, world!
   #4 = Methodref          #19.#20        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #21            // Hello
   #6 = Class              #22            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               Hello.java
  #15 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #16 = Class              #23            // java/lang/System
  #17 = NameAndType        #24:#25        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #18 = Utf8               Hello, world!
  #19 = Class              #26            // java/io/PrintStream
  #20 = NameAndType        #27:#28        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #21 = Utf8               Hello
  #22 = Utf8               java/lang/Object
  #23 = Utf8               java/lang/System
  #24 = Utf8               out
  #25 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #26 = Utf8               java/io/PrintStream
  #27 = Utf8               println
  #28 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public Hello();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String Hello, world!
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 8
}
SourceFile: "Hello.java"

四、访问标志

常量池结束之后，紧接着的两个字节代表访问标志。包括：这个 class 是类还是接口，是否是 public，是否是 abstract，是否是 final 等等。

五、类索引、父类索引、接口索引集合

访问标志之后是类索引与父类索引，它们都是一个 u2 类型的数据，接口索引集合是一组 u2 类型数据的集合，这三项数据确定了该类的继承关系。

Java 中，只有 Object 类没有父类，它的父类索引为 0，其他的类都有且只有一个父类索引，因为 Java 是单继承的。

六、字段表集合

字段表用于描述接口或者类中声明的变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。

字段的修饰符由标志位来表示，字段的名字、描述符通过引用常量池中的常量来表示。

描述符后还有一个属性表集合，用哦关于存储一些额外的信息。

比如：

final static int m = 123;

这个字段可能会存在一项名称为 ConstantValue 的属性，指向常量 123。

七、方法表集合

方法表和字段表类似，包括访问标志、名称索引、描述符索引、属性表集合。

八、属性表集合

1.Code 属性

Java 代码经过 javac 编译后，就会变成字节码指令存储在 Code 属性内。

Code 属性表记录了操作数栈最大深度（max_stack）、局部变量表所需的存储空间（max_locals）、编译后代码（code）、异常表（exception_table）等信息。

这里的异常表记录的是 try-catch 代码块中的异常信息

2.Exceptions 属性

这里的 Exceptions 属性和 Code 属性是平级的，不同于 Code 属性中的异常表，记录了方法声明中 throws 的异常。

3.LineNumberTable 属性

记录源码行号和字节码行号之间的对应关系。

4.LocalVariableTable 和 LocalVariableTypeTable

描述栈帧中局部变量表的变量与 Java 源码中定义的变量之间的关系。

5.SourceFile 及 SourceDebugExtension

SourceFile 用于记录生成这个 Class 文件的源码文件的名称。

SourceFile: "Hello.java"

SourceDebugExtension 用于存储额外的代码调试信息。

6.ConstantValue 属性

通知虚拟机自动为静态变量赋值。

7.InnerClasses 属性

记录内部类与宿主类之间的关联。

8.Deprecated 及 Synthetic 属性

标志着某个类、字段或者方法是否过时/是否是由编译器自动产生的

9.StackMapTable 属性

用于代替以前比较消耗性能的基于数据流分析的类型推导验证器。

10.Signature 属性

记录泛型签名信息。

11.BootstrapMethods 属性

用于保存 invokedynamic 指令引用的引导方法限定符。

12.MethodParameters 属性

记录方法的各个形参名称和信息

13.模块化相关属性

14.运行时注解相关属性

参考文章

《深入理解 Java 虚拟机》（第三版）