Файл класса Java
| Тип интернет-СМИ | приложение/java-vm, приложение/x-httpd-java, приложение/x-java, приложение/java, приложение/java-байт-код, приложение/x-java-класс, приложение/x-java-vm |
|---|---|
| Разработано | Sun Microsystems |
Файл класса Java — это файл (с расширением имени файла .class ), содержащий байт-код Java , который может быть выполнен на виртуальной машине Java (JVM) . Файл класса Java обычно создается компилятором Java из исходных файлов языка программирования Java ( файлов .java ), содержащих классы Java (в качестве альтернативы для создания файлов классов могут использоваться и другие языки JVM ). Если исходный файл содержит более одного класса, каждый класс компилируется в отдельный файл класса. Таким образом, он называется файлом .class , поскольку содержит байт-код для одного класса.
JVM доступны для многих платформ , и файл класса, скомпилированный на одной платформе, будет выполняться на JVM другой платформы. Это делает приложения Java платформенно-независимыми .
История
11 декабря 2006 года формат файла класса был изменен в соответствии с запросом спецификации Java (JSR) 202. [1]
Расположение и структура файла
Разделы
Структура файла класса Java состоит из 10 основных разделов:
- Магическое число : 0xCAFEBABE
- Версия формата файла класса : младшая и старшая версии файла класса.
- Пул констант : Пул констант для класса
- Флаги доступа : например, является ли класс абстрактным, статическим и т. д.
- Этот класс : Имя текущего класса.
- Суперкласс : Имя суперкласса
- Интерфейсы : любые интерфейсы в классе.
- Поля : Любые поля в классе
- Методы : Любые методы в классе
- Атрибуты : любые атрибуты класса (например, имя исходного файла и т. д.)
Магическое число
Файлы классов идентифицируются следующим 4- байтовым заголовком (в шестнадцатеричном формате ): CA FE BA BE(первые 4 записи в таблице ниже). Историю этого магического числа объяснил Джеймс Гослинг, ссылаясь на ресторан в Пало-Альто : [2]
«Мы ходили обедать в место под названием St Michael's Alley. Согласно местной легенде, в далеком темном прошлом Grateful Dead выступали там, прежде чем добились успеха. Это было довольно необычное место, которое определенно было местом в духе Grateful Dead. Когда Джерри умер, они даже построили небольшую буддийскую святыню. Когда мы ходили туда, мы называли это место Cafe Dead. Где-то по ходу дела было замечено, что это число HEX. Я переделывал какой-то код формата файла и мне понадобилось несколько магических чисел : одно для постоянного объектного файла и одно для классов. Я использовал CAFEDEAD для формата объектного файла, и при поиске 4-символьных шестнадцатеричных слов, которые подходят после «CAFE» (казалось, это хорошая тема), я наткнулся на BABE и решил использовать его. В то время это не казалось таким уж важным или предназначенным куда-то, кроме как в мусорную корзину истории. Так CAFEBABE стал форматом файла класса, и CAFEDEAD был форматом постоянных объектов. Но возможность постоянных объектов ушла, и вместе с ней ушло и использование CAFEDEAD — в конечном итоге его заменил RMI ».
Генеральный план
Поскольку файл класса содержит элементы переменного размера и не содержит встроенных смещений файлов (или указателей), он обычно анализируется последовательно, от первого байта к концу. На самом низком уровне формат файла описывается в терминах нескольких фундаментальных типов данных:
- u1 : беззнаковое 8-битное целое число
- u2 : беззнаковое 16-битное целое число в порядке байтов от старшего к младшему
- u4 : беззнаковое 32-битное целое число в порядке байтов от старшего к младшему
- table : массив элементов переменной длины некоторого типа. Количество элементов в таблице определяется предшествующим числом счетчика (счетчик — u2), но размер таблицы в байтах можно определить только путем проверки каждого из ее элементов.
Некоторые из этих фундаментальных типов затем переинтерпретируются как значения более высокого уровня (например, строки или числа с плавающей точкой), в зависимости от контекста. Нет принудительного выравнивания слов, поэтому никакие байты заполнения никогда не используются. Общая структура файла класса показана в следующей таблице.
| Смещение байта | Размер | Тип или значение | Описание |
|---|---|---|---|
| 0 | 4 байта | u1 = 0xCA шестнадцатеричный | магическое число (CAFEBABE), используемое для идентификации файла как соответствующего формату файла класса |
| 1 | u1 = 0xFE шестнадцатеричный | ||
| 2 | u1 = 0xBA шестнадцатеричный | ||
| 3 | u1 = 0xBE шестнадцатеричный | ||
| 4 | 2 байта | у2 | дополнительный номер версии используемого формата файла класса |
| 5 | |||
| 6 | 2 байта | у2 | основной номер версии используемого формата файла класса. [3] Java SE 24 = 68 (шестнадцатеричное 0x44), |
| 7 | |||
| 8 | 2 байта | у2 | постоянный счет пула, количество записей в следующей таблице постоянного пула. Это количество по крайней мере на единицу больше фактического количества записей; см. следующее обсуждение. |
| 9 | |||
| 10 | cpsize (переменная) | стол | Таблица константного пула, массив записей константного пула переменного размера, содержащий такие элементы, как литеральные числа, строки и ссылки на классы или методы. Индексируется с 1, содержит ( число константного пула - 1) общее количество записей (см. примечание). |
| ... | |||
| ... | |||
| ... | |||
| 10+ cpsize | 2 байта | у2 | флаги доступа, битовая маска |
| 11+ размер cp | |||
| 12+ размер cp | 2 байта | у2 | идентифицирует этот класс, индекс в константном пуле для записи типа «Класс» |
| 13+ размер cp | |||
| 14+ размер cp | 2 байта | у2 | определяет суперкласс , индекс в константном пуле для записи типа «Класс» |
| 15+ размер | |||
| 16+ размер | 2 байта | у2 | количество интерфейсов, количество записей в следующей таблице интерфейсов |
| 17+ размер cp | |||
| 18+ размер cp | размер (переменная) | стол | таблица интерфейсов: массив переменной длины константных индексов пула, описывающих интерфейсы, реализованные этим классом |
| ... | |||
| ... | |||
| ... | |||
| 18+ cpsize + isize | 2 байта | у2 | количество полей, количество записей в следующей таблице полей |
| 19+ cpsize + isize | |||
| 20+ cpsize + isize | fsize (переменная) | стол | таблица полей, массив полей переменной длины каждый элемент представляет собой структуру field_info, определенную в https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.5 |
| ... | |||
| ... | |||
| ... | |||
| 20+ cpsize + isize + fsize | 2 байта | у2 | количество методов, количество записей в следующей таблице методов |
| 21+ cpsize + isize + fsize | |||
| 22+ cpsize + isize + fsize | msize (переменная) | стол | таблица методов, массив методов переменной длины каждый элемент представляет собой структуру method_info, определенную в https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.6 |
| ... | |||
| ... | |||
| ... | |||
| 22+ cpsize + isize + fsize + msize | 2 байта | у2 | количество атрибутов, количество записей в следующей таблице атрибутов |
| 23+ cpsize + isize + fsize + msize | |||
| 24+ cpsize + isize + fsize + msize | размер (переменная) | стол | таблица атрибутов, массив атрибутов переменной длины каждый элемент представляет собой структуру attribute_info, определенную в https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.7 |
| ... | |||
| ... | |||
| ... |
Представление на языке программирования, подобном C
Поскольку язык программирования C не поддерживает несколько массивов переменной длины внутри структуры, приведенный ниже код не будет компилироваться и служит только в качестве демонстрации.
структура Class_File_Format { u4 magic_number ; u2 второстепенная_версия ; u2 основная_версия ; u2 constant_pool_count ; cp_info constant_pool [ constant_pool_count - 1 ]; u2 флаги_доступа ; u2 этот_класс ; u2 супер_класс ; u2 interfaces_count ; интерфейсы u2 [ interfaces_count ]; u2 fields_count ; field_info поля [ fields_count ]; u2 methods_count ; method_info методы [ methods_count ]; u2 attribute_count ; attribute_info атрибуты [ attribute_count ]; } Постоянный пул
Таблица константного пула — это место, где хранится большинство литеральных константных значений. Сюда входят такие значения, как числа всех видов, строки, имена идентификаторов, ссылки на классы и методы, а также дескрипторы типов. Все индексы или ссылки на конкретные константы в таблице константного пула задаются 16-битными числами (тип u2), где значение индекса 1 относится к первой константе в таблице (значение индекса 0 недопустимо).
Из-за исторических выборов, сделанных во время разработки формата файла, количество констант в таблице пула констант на самом деле не совпадает с количеством пулов констант, которое предшествует таблице. Во-первых, таблица индексируется, начиная с 1 (а не с 0), но количество фактически должно интерпретироваться как максимальный индекс плюс один. [6] Кроме того, два типа констант (long и double) занимают два последовательных слота в таблице, хотя второй такой слот является фантомным индексом, который никогда не используется напрямую.
Тип каждого элемента (константы) в константном пуле определяется начальным байтовым тегом . Количество байтов, следующих за этим тегом, и их интерпретация зависят от значения тега. Допустимые типы констант и их значения тегов:
| Тег байта | Дополнительные байты | Описание константы | Представлена версия |
|---|---|---|---|
| 1 | 2+ x байт (переменная) | Строка UTF-8 (Unicode): строка символов, начинающаяся с 16-битного числа (тип u2), указывающего количество байтов в закодированной строке, которая следует сразу за ней (которое может отличаться от количества символов). Обратите внимание, что используемая кодировка на самом деле не UTF-8 , а представляет собой небольшую модификацию стандартной формы кодировки Unicode. | 1.0.2 |
| 3 | 4 байта | Целое число: 32-битное число со знаком в формате дополнения до двух в формате big-endian. | 1.0.2 |
| 4 | 4 байта | Float: 32-битное число с плавающей точкой одинарной точности IEEE 754. | 1.0.2 |
| 5 | 8 байт | Длинное: знаковое 64-битное число в формате дополнения до двух в формате big-endian (занимает два слота в таблице константного пула) | 1.0.2 |
| 6 | 8 байт | Double: 64-битное число с плавающей точкой двойной точности IEEE 754 (занимает два слота в таблице константного пула) | 1.0.2 |
| 7 | 2 байта | Ссылка на класс: индекс в константном пуле на строку UTF-8, содержащую полное имя класса (во внутреннем формате ) (с обратным порядком байтов) | 1.0.2 |
| 8 | 2 байта | Ссылка на строку: индекс в константном пуле на строку UTF-8 (также с обратным порядком байтов) | 1.0.2 |
| 9 | 4 байта | Ссылка на поле: два индекса в константном пуле, первый указывает на ссылку на класс, второй — на дескриптор имени и типа. (big-endian) | 1.0.2 |
| 10 | 4 байта | Ссылка на метод: два индекса в константном пуле, первый указывает на ссылку на класс, второй — на дескриптор имени и типа. (big-endian) | 1.0.2 |
| 11 | 4 байта | Ссылка на метод интерфейса: два индекса в константном пуле, первый указывает на ссылку класса, второй — на дескриптор имени и типа. (big-endian) | 1.0.2 |
| 12 | 4 байта | Имя и дескриптор типа: два индекса для строк UTF-8 в пуле констант, первый из которых представляет имя (идентификатор), а второй — специально закодированный дескриптор типа. | 1.0.2 |
| 15 | 3 байта | Дескриптор метода: эта структура используется для представления дескриптора метода и состоит из одного байта дескриптора типа, за которым следует индекс в константном пуле. [6] | 7 |
| 16 | 2 байта | Тип метода: эта структура используется для представления типа метода и состоит из индекса в константном пуле. [6] | 7 |
| 17 | 4 байта | Динамический: используется для указания динамически вычисляемой константы, создаваемой путем вызова метода начальной загрузки. [6] | 11 |
| 18 | 4 байта | InvokeDynamic: используется инструкцией invokedynamic для указания метода начальной загрузки, имени динамического вызова, типов аргумента и возвращаемого значения вызова, а также, опционально, последовательности дополнительных констант, называемых статическими аргументами метода начальной загрузки. [6] | 7 |
| 19 | 2 байта | Модуль: используется для идентификации модуля. [6] | 9 |
| 20 | 2 байта | Пакет: используется для идентификации пакета, экспортированного или открытого модулем. [6] | 9 |
Существует только два типа целочисленных констант: integer и long. Другие целочисленные типы, появляющиеся в языке высокого уровня, такие как boolean, byte и short, должны быть представлены как целочисленная константа.
Имена классов в Java, если они полностью определены, традиционно разделяются точками, например, "java.lang.Object". Однако в константах ссылок на класс низкого уровня появляется внутренняя форма, которая вместо этого использует слеши, например, "java/lang/Object".
Строки Unicode, несмотря на прозвище "строка UTF-8", на самом деле не кодируются в соответствии со стандартом Unicode, хотя это похоже. Есть два отличия (см. UTF-8 для полного обсуждения). Первое заключается в том, что кодовая точка U+0000 кодируется как двухбайтовая последовательность C0 80(в шестнадцатеричном виде) вместо стандартной однобайтовой кодировки 00. Второе отличие заключается в том, что дополнительные символы (те, которые находятся вне BMP при U+10000 и выше) кодируются с использованием конструкции суррогатной пары, похожей на UTF-16 , а не напрямую кодируются с использованием UTF-8. В этом случае каждый из двух суррогатов кодируется отдельно в UTF-8. Например, U+1D11E кодируется как 6-байтовая последовательность ED A0 B4 ED B4 9E, а не как правильная 4-байтовая кодировка UTF-8 F0 9D 84 9E.
Смотрите также
Ссылки
- ^ Обновление спецификации файла классов Java JSR 202
- ↑ Личное сообщение Джеймса Гослинга Биллу Бамгарнеру
- ^ "Глава 4. Формат файла класса".
- ^ «Заметки о выпуске JDK 10».
- ^ "[JDK-8148785] Обновление версии файла класса до 53 для JDK-9 - Java Bug System".
- ^ abcdefg "Глава 4. Формат файла класса".
Дальнейшее чтение
- Тим Линдхольм, Фрэнк Йеллин (1999). Спецификация виртуальной машины Java (второе издание). Prentice Hall. ISBN 0-201-43294-3. Получено 13 октября 2008 г.Официальный определяющий документ Java Virtual Machine , включающий формат файла класса. Первое и второе издание книги доступны бесплатно в Интернете для просмотра и/или загрузки.
