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Class 文件中的魔数、主次版本号与常量池

1. 前言​

本节内容主要是介绍 Class 文件结构中的魔数、主次版本号与常量池。本节主要知识点如下：

  • Class 文件的数据类型，概念性的知识，为本节基础知识点；
  • Class 文件结构介绍，为本节次重点知识；
  • 魔数的定义及所占字节空间，为本节重点内容之一；
  • 次版本号与主版本号的定义及对照表，次版本号与主版本号为本节重点内容之一，版本号对照表为了解内容；
  • 常量池计数器与常量池的定义及意义，为本节重点内容之一。

2. Class文件数据类型​

根据 Java 虚拟机规范的规定，Class 文件格式采用一种类似于 C 语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构中只有两种数据类型：无符号数和表。

  • 无符号数：无符号数属于基本的数据类型，以 u1、u2、u4、u8 来分别代表 1 个字节、2 个字节、4 个字节和 8 个字节；无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照 UTF-8 编码构成的字符串值；
  • 表：表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，所有表都习惯性地以“info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个 Class 文件本质上就是一张表。

Tips：无符号数和表这两种类型的数据，初次来看非常的抽象，从概念层面来看似乎很难理解。我们无需着急， 本节所讲述的魔数，次版本号，主版本号以及常量池计数器皆为无符号数类型，而常量池为表类型，讲解这些结构时，我会为大家提供示意图，使学习者从感官上看到这两种数据类型，从而彻底理解这两种数据类型。

3. Class 文件结构​

Class 文件是一组以（8位bit的）byte 字节为基础单位的二进制流。如下图所示 Class 文件的字节码示意图：

图片描述

上图中被绿色框圈起来的则为标准的 Class 文件的样子。左侧为软件本身提供的辅助信息，记录当前行前面总共有多少个 byte (或者说多少个 u1 )，用于快速定位数据(通过数据偏移量的方式。右侧为直接以编辑器打开 Class 文件的样子，显示为乱码。

Tips：使用普通的编辑器打开 Class 文件我们会看到乱码，如果想要像上图一样观察 Class 文件的话，需要下载专门的编辑器。WinHex 就具备这个功能，有兴趣的同学可以安装 WinHex 并使用。

4. 魔数（Magic Number）​

定义：每个 Class 文件的头 4 个字节（u4）称为魔数（Magic Number），它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接收的 Class 文件。所有 Class 文件，魔数均为 0xCAFEBABE。

Tips：从Class文件结构图中，我们可以看到，Class文件的开头确实是CAFEBABE。下载并安装 WinHex 的学习者，如果打开任意的一个Class文件，开头也必然是CAFEBABE。

无符号数结构示意图：前文提到，魔数是无符号数类型的数据，对于无符号数，我们通常以 u1、u2、u4、u8 来分别代表 1 个字节、2 个字节、4 个字节和 8 个字节。我们先来看下魔数的示意图：

图片描述

Tips：上文提到过，魔数开头为 CAFEBABE，占用 4 个字节，无符号数表示为 u4，那么其中 CA,FE,BA,BE分别占用 1 个字节，无符号数表示为 u1。至此我们了解了魔数的定义及作用，并明白了何为无符号数类型，掌握了魔数的无符号数表示为 u4。

5. 次版本号与主版本号​

学前疑问：学习者可能会有疑问，为什么标题说的是次版本号与主版本号，次版本号在前，而主版本号在后呢？先次后主，是不是读起来感觉有点别扭呢？

疑问解答：特别强调下，对于Class 文件结构，第一部分为 u4 的魔数，魔数后边紧跟的就是 u2 的次版本号，次版本号后边才是 u2 的主版本号，此处需要特别注意，从结构上来说，次版本号在前，主版本号在后。

定义：次版本号与主版本号共同标识了我们所使用的的 JDK 版本，如 JDK 1.8.0 版本的次版本号为 u2 大小，用字节码表示为 00 00，主版本号也是 u2 大小，用字节码表示为 00 34。

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

Tips：如果 Class 文件的开头 8 个字节分别为 CA FE BA BE 00 00 00 34，那么我们可以确定，这是一个 JVM 可识别的 Class 文件，且使用的 JDK 1.8.0的版本进行的编译，因为前4个字节魔数为 CA FE BA BE 符合标准，后4 个字节 00 00 00 34 为 JDK 1.8.0的版本。

无符号数结构示意图：前文提到，次版本号与主版本号也是无符号数类型的数据。我们接下来看下魔数的示意图：

图片描述

Tips：至此我们了解了先次后主，了解了次版本号与主版本号分别占用 2 个字节，无符号数表示为 u2。同时我们从整体上了解了，魔数后边为次版本号，次版本号后边为主版本号。主版本号后边紧跟的是什么？不要着急，我们继续学习。

版本号对照表：开篇的前言部分已经说过，对照表部分为了解内容，这里简单举出几个版本的对照表，了解一下即可。

JDK 版本16进制字节码
1.8.000 00 00 34
1.7.000 00 00 33
1.6.000 00 00 32
1.5.000 00 00 31

6. 常量池计数器与常量池​

Tips：前文提出过，主版本号后边紧跟的是什么，现在我们揭开答案，主版本号后边紧跟的是常量池计数器，常量池计数器后边紧跟的是常量池。那么常量池后边紧跟的是什么？此处又提出问题，我们后续讲解会有解答。

定义：我们先来看下两者的定义。

  • 常量池计数器：记录常量池中的常量的数量。由于常量池中的常数的数量是不固定的，所以在常量池的入口放置了一个 u2 类型的数据，来代表常量池容器记数值（constant_pool_count）。常量池计数器也是无符号数类型数据。
  • 常量池：Class 文件中的资源仓库，它是 Class 文件结构中与其他项目关联最多的数据类型，也是占用Class文件空间最多的数据项目之一，同时它还是 Class 文件中第一个出现的表类型数据项目。

Tips：相信学习者对常量池的兴趣会比较大，为什么这么说呢？从常量池定义中，我们看到了一句话：“它还是Class文件中第一个出现的表类型数据项目”。表类型数据，终于等到了 Class 文件的表类型数据结构，我们本节会为学习者提供表类型的机构示意图。

常量池计数器无符号数结构示意图：我们还是要按照 Class 文件的结构顺序一步一步来说，先要搞明白常量池计数器，然后再去学习表类型的常量池。

图片描述

常量池计数器，我们对于这种无符号数结构其实已经非常的了解了，所以此处我们点到即止，了解常量池计数器的定义及作用，了解了常量池计数器占用 u2 大小即可。

常量池表结构示意图：我们终于接触到了 Class 文件中的表结构，那么我们先睹为快，然后再讲解常量池的重要知识点。

图片描述

常量池中存储的数据：常量池中主要存放着两种常量，字面量（Literal）和符号引用（Synbolic References）。

  • 字面量包括：文本字符、声明为 final 的常量值、基础数据类型的值等；
  • 符号引用包括：类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符。

cp_info类型：cp_info 又可细分为 14 种结构类型。下表中第二列所说的标志，是指每一种数据类型的标记值，此处做简单了解即可。

图片描述

7. 小结​

本节讲解了 Class 文件结构开头的 3 种结构，魔数，次版本号与主版本号，常量池计数器与常量池。我们了解了它们的定义及意义，也了解了什么是无符号类型数据，什么是表类型数据，我们需要进行重点掌握。

本节我们也抛出了问题，常量池后边紧跟的结构是什么？我们会在下篇课程中进行讲解。本节所了解到的无符号数与表类型数据，有助于我们后续对其他 Class 文件结构的学习。