What is class files in java

Внутренности JVM, Часть 2 — Структура class-файлов

Продолжаем разговор о том, как Java Virtual Machine работает внутри. В предыдущей статье (оригинал на анг.) мы рассмотрели подсистему загрузки классов. В этой статье мы поговорим о структуре class-файлов.

Как мы уже знаем, весь исходный код, написанный на языке программирования Java, сначала компилируется в байт-код с помощью компилятора javac , входящего в состав Java Development Kit. Байт-код сохраняется в бинарный файл в специальный class-файл. Затем эти class-файлы динамически (при необходимости) загружаются в память загрузчиком классов (ClassLoader).

Рисунок — компиляция исходного кода Java

Каждый файл с расширением .java компилируется как минимум в один файл .class . Для каждого класса, интерфейса и модуля, определенных в исходном коде, создается по одному .class файлу. Это также относится к интерфейсам и вложенным классам.

Примечание — для простоты файлы с расширением .class будем называть “class-файлами”.

Давайте напишем простую программу.

public class ClassOne < public static void main(String[] args)< System.out.println("Hello world"); >static class StaticNestedClass < >> class ClassTwo < >interface InterfaceOne

Запуск javac для этого файла приведет к появлению следующих файлов.

ClassOne$StaticNestedClass.class ClassOne.class ClassTwo.class InterfaceOne.class

Как видите, для каждого класса и интерфейса создается отдельный class-файл.

Что внутри class-файла?

Class-файл имеет бинарный формат. Информация в нем обычно записывается без отступов между последовательными частями информации, все выравнивается по границам байтов. Все 16-битные и 32-битные значения записываются с помощью двух или четырех последовательных 8-битных байтов.

Class-файл содержит следующую информацию.

Магическое число, сигнатура. Первые четыре байта каждого class-файла всегда 0xCAFEBABE . Эти четыре байта идентифицируют class-файл Java.

Версия файла. Следующие четыре байта содержат мажорную и минорную версию файла. Вместе эти номера определяют версию формата class-файла. Если class-файл имеет основной мажорную версию M и минорную m, то мы обозначаем эту версию как M.m.

У каждой JVM есть ограничения по поддерживаемым версиям class-файлов. Например, Java 11 поддерживает major версию с 45 до 55, Java 12 — с 45 по 56.

Пул констант. Таблица структур, представляющих строковые константы, имена классов, интерфейсов, полей, методов и другие константы, которые есть в структуре ClassFile и ее подструктурах. Каждый элемент пула констант начинается с однобайтового тега, определяющего тип константы. В зависимости от типа константы следующие байты могут быть непосредственным значением константы или ссылкой на другой элемент в пуле.

Флаги доступа. Список флагов, которые указывают класс это или интерфейс, public или private, финальный класс или нет. Различные флаги, такие как ACC_PUBLIC , ACC_FINAL , ACC_INTERFACE , ACC_ENUM и т. д. описаны спецификации Java Virtual Machine Specification.

This class. Ссылка на запись в пуле констант.

Super class. Ссылка на запись в пуле констант.

Интерфейсы. Количество интерфейсов, реализованных классом.

Количество полей. Количество полей в классе или интерфейсе.

Поля. После количества полей следует таблица структур переменной длины. По одной для каждого поля с описанием типа поля и названия (со ссылкой на пул констант).

Количество методов. Количество методов в классе или интерфейсе. Это число включает только методы, которые явно определены в классе, без методов, унаследованных от суперклассов.

Методы. Далее находятся сами методы. Для каждого метода содержится следующая информация: дескриптор метода (тип возвращаемого значения и список аргументов), количество слов, необходимых для локальных переменных метода, максимальное количество слов стека, необходимых для стека операндов метода, таблицу исключений, перехватываемых методом, байт-коды метода и таблица номеров строк.

Количество атрибутов. Количество атрибутов в этом классе, интерфейсе или модуле.

Атрибуты. После количества атрибутов следуют таблицы или структуры переменной длины, описывающие каждый атрибут. Например, всегда есть атрибут “SourceFile”. Он содержит имя исходного файла, из которого был скомпилирован class-файл.

Хотя class-файл напрямую не человекочитаемый, в JDK есть инструмент под названием javap, который выводит его содержимое в удобном формате.

Давайте напишем простую программу на Java, указанную ниже.

package bytecode; import java.io.Serializable; public class HelloWorld implements Serializable, Cloneable < public static void main(String[] args) < System.out.println("Hello World"); >>

Давайте скомпилируем эту программу с помощью javac , которая создаст файл HelloWorld.class , и используем javap для просмотра файла HelloWorld.class . Запустив javap с параметром -v (verbose) для HelloWorld.class получим следующий результат:

Classfile /Users/apersiankite/Documents/code_practice/java_practice/target/classes/bytecode/HelloWorld.class Last modified 02-Jul-2019; size 606 bytes MD5 checksum 6442d93b955c2e249619a1bade6d5b98 Compiled from "HelloWorld.java" public class bytecode.HelloWorld implements java.io.Serializable,java.lang.Cloneable minor version: 0 major version: 55 flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER this_class: #5 // bytecode/HelloWorld super_class: #6 // java/lang/Object interfaces: 2, fields: 0, methods: 2, attributes: 1 Constant pool: #1 = Methodref #6.#22 // java/lang/Object."":()V #2 = Fieldref #23.#24 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; #3 = String #25 // Hello World #4 = Methodref #26.#27 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V #5 = Class #28 // bytecode/HelloWorld #6 = Class #29 // java/lang/Object #7 = Class #30 // java/io/Serializable #8 = Class #31 // java/lang/Cloneable #9 = Utf8 #10 = Utf8 ()V #11 = Utf8 Code #12 = Utf8 LineNumberTable #13 = Utf8 LocalVariableTable #14 = Utf8 this #15 = Utf8 Lbytecode/HelloWorld; #16 = Utf8 main #17 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V #18 = Utf8 args #19 = Utf8 [Ljava/lang/String; #20 = Utf8 SourceFile #21 = Utf8 HelloWorld.java #22 = NameAndType #9:#10 // "":()V #23 = Class #32 // java/lang/System #24 = NameAndType #33:#34 // out:Ljava/io/PrintStream; #25 = Utf8 Hello World #26 = Class #35 // java/io/PrintStream #27 = NameAndType #36:#37 // println:(Ljava/lang/String;)V #28 = Utf8 bytecode/HelloWorld #29 = Utf8 java/lang/Object #30 = Utf8 java/io/Serializable #31 = Utf8 java/lang/Cloneable #32 = Utf8 java/lang/System #33 = Utf8 out #34 = Utf8 Ljava/io/PrintStream; #35 = Utf8 java/io/PrintStream #36 = Utf8 println #37 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V < public bytecode.HelloWorld(); descriptor: ()V flags: (0x0001) ACC_PUBLIC Code: stack=1, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V 4: return LineNumberTable: line 4: 0 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 5 0 this Lbytecode/HelloWorld; 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 7: 0 line 8: 8 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 9 0 args [Ljava/lang/String; > SourceFile: "HelloWorld.java"

Здесь вы можете увидеть, что класс публичный ( public ) и у него в пуле констант 37 записей. Есть один атрибут (SourceFile внизу), класс реализует два интерфейса (Serializable, Cloneable), у него нет полей и есть два метода.

Возможно, вы заметили, что в исходном коде есть только один статический метод main, но class-файл говорит, что есть два метода. Вспомните конструктор по умолчанию — это конструктор без аргументов, добавленный компилятором javac , байт-код которого также виден в выводе. Конструкторы рассматриваются как методы.

Больше почитать про javap вы можете здесь.

Совет: вы также можете использовать javap для того, чтобы увидеть, чем лямбды отличаются от анонимных внутренних классов.

Источник

Java Class File

A Java class file is a file containing Java bytecode and having .class extension that can be executed by JVM. A Java class file is created by a Java compiler from .java files as a result of successful compilation. As we know that a single Java programming language source file (or we can say .java file) may contain one class or more than one class. So if a .java file has more than one class then each class will compile into a separate class files.
For Example: Save this below code as Test.java on your system.

For Compiling:

After compilation there will be 3 class files in corresponding folder named as:

A single class file structure contains attributes that describe a class file.
Representation of Class File Structure

Elements of class file are as follows:

1. magic_number: The first 4 bytes of class file are termed as magic_number. This is a predefined value which the JVM use to identify whether the .class file is generated by valid compiler or not. The predefined value will be in hexadecimal form i.e. 0xCAFEBABE.
   Now let’s see what happen when JVM will not find valid magic number. Suppose we have a .java file named as Sample.java as follows and follow step by step process on your system.

// class Declaration class Sample < public static void main(String[] args) < System.out.println("Magic Number"); >>

Step 1: Compile using javac Sample.java
Step 2: Now open the Sample.class file. It will looks like following.

Step 3: Now erase at least single symbol from this Sample.class file from starting of file and save it.
Step 4: Now try to run this using java Sample command and see the magic i.e. you will get run time exception (See the highlighted text in below image):

Note: This can vary depending on how much you remove the .class file data.

Note: Lower version compiler generated .class file can be executed by high version JVM but higher version compiler generated .class file cannot be executed by lower version JVM. If we will try to execute we will get run time exception.

This demonstration is for Windows OS as follows:

Step 1: Open a command prompt window and try to check java compiler version and JVM version using following commands respectively (Highlighted text in image are the commands)
Output for 1.8 version will be:

Step 2: Now check with another version which may be higher or lower than already installed.thisDownload link.
And install this to your PC or laptops and note the installation address.
Step 3: Open a second command prompt window and set the path of bin folder of installed jdk installed during 2nd step. And check for Java compiler version ad JVM version.

Step 4: Now on 1st command prompt compile the any valid .java file. For example: See above Sample.java file. Compile it as:

Step 5: Now on 2nd command prompt window try to run the above compiled code class file and see what happen. There is a run time exception which I have highlighted in below image.

Note: Internally jdk 1.5 version means 49.0 and 1.6 means 50.0 and 1.7 means 51.0 etc. class file version where the digits before the decimal point represent the major_version and digits after decimal point represents the minor_version.

1. constant_pool_count: It represents the number of the constants present in the constant pool (When a Java file is compiled, all references to variables and methods are stored in the class’s constant pool as a symbolic reference).
2. constant_pool[]: It represents the information about constants present in constant pool file.
3. access_flags: It provide the information about the modifiers which are declared to the class file.
4. this_class: It represents fully qualified name of the class file.
5. super_class: It represents fully qualified name of the immediate super class of current class. Consider above Sample.java file. When we will compile it, then we can say this_class will be Sample class and super_class will be Object class.
6. interface_count: It returns the number of interfaces implemented by current class file.
7. interface[]: It returns interfaces information implemented by current class file.
8. fields_count: It represents the number of fields (static variable) present in current class file.
9. fields[]: It represent fields (static variable) information present in current class file.
10. method_count: It represents number of methods present in current class file.
11. method[]: It returns information about all methods present in current class file.
12. attributes_count: It returns the number of attributes (instance variables) present in current class file.
13. attributes[]: It provides information about all attributes present in current class file.

Источник