最近在寫一個私人項目，名字叫做ClassAnalyzer，ClassAnalyzer的目的是能讓我們對Java Class文件的設(shè)計與結(jié)構(gòu)能夠有一個深入的理解。主體框架與基本功能已經(jīng)完成，還有一些細節(jié)功能日后再增加。實際上JDK已經(jīng)提供了命令行工具javap來反編譯Class文件，但本篇文章將闡明我實現(xiàn)解析器的思路。
Class文件
作為類或者接口信息的載體，每個Class文件都完整的定義了一個類。為了使Java程序可以“編寫一次，處處運行”，Java虛擬機規(guī)范對Class文件進行了嚴格的規(guī)定。構(gòu)成Class文件的基本數(shù)據(jù)單位是字節(jié)，這些字節(jié)之間不存在任何分隔符，這使得整個Class文件中存儲的內(nèi)容幾乎全部是程序運行的必要數(shù)據(jù)，單個字節(jié)無法表示的數(shù)據(jù)由多個連續(xù)的字節(jié)來表示。
根據(jù)Java虛擬機規(guī)范，Class文件采用一種類似于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。Java虛擬機規(guī)范定義了u1、u2、u4和u8來分別表示1個字節(jié)、2個字節(jié)、4個字節(jié)和8個字節(jié)的無符號數(shù)，無符號數(shù)可以用來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或者是字符串。表是由多個無符號數(shù)或者其它表作為數(shù)據(jù)項構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，表用于描述有層次關(guān)系的復(fù)合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，因此整個Class文件本質(zhì)上就是一張表。在ClassAnalyzer中，byte、short、int和long分別對應(yīng)u1、u2、u4和u8數(shù)據(jù)類型，Class文件被描述為如下Java類。
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public class ClassFile { public U4 magic; // magic public U2 minorVersion; // minor_version public U2 majorVersion; // major_version public U2 constantPoolCount; // constant_pool_count public ConstantPoolInfo[] cpInfo; // cp_info public U2 accessFlags; // access_flags public U2 thisClass; // this_class public U2 superClass; // super_class public U2 interfacesCount; // interfaces_count public U2[] interfaces; // interfaces public U2 fieldsCount; // fields_count public FieldInfo[] fields; // fields public U2 methodsCount; // methods_count public MethodInfo[] methods; // methods public U2 attributesCount; // attributes_count public BasicAttributeInfo[] attributes; // attributes} |
如何解析
組成Class文件的各個數(shù)據(jù)項中，例如魔數(shù)、Class文件的版本等數(shù)據(jù)項、訪問標(biāo)志、類索引、父類索引，它們在每個Class文件中都占用固定數(shù)量的字節(jié)，在解析時只需要讀取相應(yīng)數(shù)量的字節(jié)。除此之外，需要靈活處理的主要包括4部分：常量池、字段表集合、方法表集合和屬性表集合。字段和方法都可以具備自己的屬性，Class本身也有相應(yīng)的屬性，因此，在解析字段表集合和方法表集合的同時也包含了屬性表的解析。
常量池占據(jù)了Class文件很大一部分的數(shù)據(jù)，用于存儲所有的常量信息，包括數(shù)字和字符串常量、類名、接口名、字段名和方法名等。Java虛擬機規(guī)范定義了多種常量類型，每一種常量類型都有自己的結(jié)構(gòu)。常量池本身是一個表，在解析時有幾點需要注意。
每個常量類型都通過一個u1類型的tag來標(biāo)識。
表頭給出的常量池大小（constantPoolCount）比實際大1，例如，如果constantPoolCount等于47，那么常量池中有46項常量。
常量池的索引范圍從1開始，例如，如果constantPoolCount等于47，那么常量池的索引范圍為1~46。設(shè)計者將第0項空出來的目的是用于表達“不引用任何一個常量池項目”。
CONSTANT_Utf8_info型常量的結(jié)構(gòu)中包含u1類型的tag、u2類型的length和由length個u1類型組成的bytes，這length字節(jié)的連續(xù)數(shù)據(jù)是一個使用MUTF-8（Modified UTF-8）編碼的字符串。MUTF-8與UTF-8并不兼容，主要區(qū)別有兩點：一是null字符會被編碼成2字節(jié)（0xC0和0x80）；二是補充字符是按照UTF-16拆分為代理對分別編碼的，相關(guān)細節(jié)可以看這里（變種UTF-8）。
屬性表用于描述某些場景專有的信息，Class文件、字段表和方法表都有相應(yīng)的屬性表集合。Java虛擬機規(guī)范定義了多種屬性，ClassAnalyzer目前實現(xiàn)了對常用屬性的解析。和常量類型的數(shù)據(jù)項不同，屬性并沒有一個tag來標(biāo)識屬性的類型，但是每個屬性都包含有一個u2類型的attribute_name_index，attribute_name_index指向常量池中的一個CONSTANT_Utf8_info類型的常量，該常量包含著屬性的名稱。在解析屬性時，ClassAnalyzer正是通過attribute_name_index指向的常量對應(yīng)的屬性名稱來得知屬性的類型。
字段表用于描述類或者接口中聲明的變量，字段包括類級變量以及實例級變量。字段表的結(jié)構(gòu)包含一個u2類型的access_flags、一個u2類型的name_index、一個u2類型的descriptor_index、一個u2類型的attributes_count和attributes_count個attribute_info類型的attributes。我們已經(jīng)介紹了屬性表的解析，attributes的解析方式與屬性表的解析方式一致。
Class的文件方法表采用了和字段表相同的存儲格式，只是access_flags對應(yīng)的含義有所不同。方法表包含著一個重要的屬性：Code屬性。Code屬性存儲了Java代碼編譯成的字節(jié)碼指令，在ClassAnalyzer中，Code對應(yīng)的Java類如下所示（僅列出了類屬性）
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public class Code extends BasicAttributeInfo { private short maxStack; private short maxLocals; private long codeLength; private byte[] code; private short exceptionTableLength; private ExceptionInfo[] exceptionTable; private short attributesCount; private BasicAttributeInfo[] attributes; ... private class ExceptionInfo { public short startPc; public short endPc; public short handlerPc; public short catchType; ... }} |
在Code屬性中，codeLength和code分別用于存儲字節(jié)碼長度和字節(jié)碼指令，每條指令即一個字節(jié)（u1類型）。在虛擬機執(zhí)行時，通過讀取code中的一個個字節(jié)碼，并將字節(jié)碼翻譯成相應(yīng)的指令。另外，雖然codeLength是一個u4類型的值，但是實際上一個方法不允許超過65535條字節(jié)碼指令。
代碼實現(xiàn)
ClassAnalyzer的源碼已放在了GitHub上。在ClassAnalyzer的README中，我以一個類的Class文件為例，對該Class文件的每個字節(jié)進行了分析，希望對大家的理解有所幫助。
參考
結(jié)束語：以上就是本文關(guān)于如何實現(xiàn)一個Java class 解析器的全部內(nèi)容，希望對大家有所幫助。
原文鏈接：https://segmentfault.com/a/1190000008328534
