Файл класса Java

Эта статья о формате данных. Информацию о классах Java см. в разделе Класс (компьютерное программирование) .

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	Сан Микросистемс

Файл класса Java — это файл (с .class расширение имени файла ), содержащее байт-код Java , который может быть выполнен на виртуальной машине Java (JVM) . Файл класса Java обычно создается компилятором Java из языка программирования Java исходных файлов ( .java- Java файлы), содержащие классы другие языки JVM (в качестве альтернативы для создания файлов классов можно использовать и ). Если исходный файл содержит более одного класса, каждый класс компилируется в отдельный файл классов. Таким образом, это называется .class , поскольку он 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 независимыми от платформы .

История

11 декабря 2006 года формат файла класса был изменен в соответствии с запросом спецификации Java (JSR) 202.

Расположение и структура файла

Разделы

Файловая структура классов Java состоит из 10 основных разделов:

• Магическое число : 0xCAFEBABE.
• Версия формата файла класса : младшая и основная 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 : название 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 :

«Раньше мы ходили обедать в место под названием St Michael's Alley. Согласно местной легенде, в глубоком темном прошлом Grateful Dead там выступали , прежде чем они добились успеха. Это было довольно прикольное место, которое определенно принадлежало Grateful Dead. Мертвое место. Когда Джерри умер, они даже построили небольшой храм в буддийском стиле. Когда мы туда ходили, мы называли это место Кафе Мертвец. Где-то по ходу дела было замечено, что это шестнадцатеричный номер. был переделывал код формата файла и нуждался в паре магических чисел : одно для постоянного объектного файла и одно для классов. Я использовал CAFEDEAD для формата объектного файла и искал 4-значные шестнадцатеричные слова, которые подходят после «CAFE». (казалось, это хорошая тема) Я наткнулся на BABE и решил ее использовать. В то время это не казалось чем-то особенно важным и предназначенным для выбрасывания куда-либо, кроме мусорной корзины истории. Таким образом, CAFEBABE стал форматом файлов классов, а CAFEDEAD стал форматом постоянных объектов. Но возможность сохранения постоянных объектов исчезла, а вместе с ней и использование CAFEDEAD — в конечном итоге его заменили на РМИ ».

Генеральный план

Поскольку файл класса содержит элементы переменного размера и не содержит встроенных файловых смещений (или указателей), он обычно анализируется последовательно, от первого байта к концу. На самом низком уровне формат файла описывается с помощью нескольких фундаментальных типов данных:

• u1 : 8-битное целое число без знака
• u2 : 16-битное целое число без знака в порядке байтов с обратным порядком байтов.
• u4 : 32-битное целое число без знака в порядке байтов с обратным порядком байтов.
• таблица : массив элементов переменной длины некоторого типа. Количество элементов в таблице определяется предшествующим номером счетчика (счетчик — это u2), но размер таблицы в байтах можно определить только путем проверки каждого из ее элементов.

Некоторые из этих фундаментальных типов затем интерпретируются как значения более высокого уровня (например, строки или числа с плавающей запятой), в зависимости от контекста. Выравнивание слов не применяется, поэтому байты заполнения никогда не используются. Общий вид файла класса показан в следующей таблице.

Компенсация обмена	Размер	Тип или значение	Описание
0	4 байта	и1 = 0xCA шестнадцатеричный	магическое число (CAFEBABE), используемое для идентификации файла как соответствующего формату файла класса.
1		и1 = 0xFE шестнадцатеричный
2		и1 = 0xBA шестнадцатеричный
3		и1 = 0xBE шестнадцатеричный
4	2 байта	ты2	младший номер версии используемого формата файла класса
5
6	2 байта	ты2	основной номер версии используемого формата файла класса. Java SE 22 = 66 (0x42 шестнадцатеричный), Java SE 21 = 65 (0x41 шестнадцатеричный), Java SE 20 = 64 (шестнадцатеричный 0x40), Java SE 19 = 63 (шестнадцатеричный 0x3F), Java SE 18 = 62 (шестнадцатеричный 0x3E), Java SE 17 = 61 (шестнадцатеричный 0x3D), Java SE 16 = 60 (шестнадцатеричный 0x3C), Java SE 15 = 59 (шестнадцатеричный 0x3B), Java SE 14 = 58 (шестнадцатеричный 0x3A), Java SE 13 = 57 (0x39 шестнадцатеричный), Java SE 12 = 56 (шестнадцатеричный 0x38), Java SE 11 = 55 (шестнадцатеричный 0x37), Java SE 10 = 54 (0x36 шестнадцатеричный), Java SE 9 = 53 (0x35 шестнадцатеричный), Java SE 8 = 52 (шестнадцатеричный 0x34), Java SE 7 = 51 (0x33 шестнадцатеричный), Java SE 6.0 = 50 (0x32 шестнадцатеричный), Java SE 5.0 = 49 (0x31 шестнадцатеричный), JDK 1.4 = 48 (0x30 шестнадцатеричный), JDK 1.3 = 47 (шестнадцатеричный 0x2F), JDK 1.2 = 46 (шестнадцатеричный 0x2E), JDK 1.1 = 45 (шестнадцатеричный 0x2D). Подробную информацию о номерах более ранних версий см. в сноске 1 во 2-м издании спецификации виртуальной машины JavaTM.
7
8	2 байта	ты2	постоянное количество пулов, количество записей в следующей таблице постоянных пулов. Это количество как минимум на единицу превышает фактическое количество записей; см. следующее обсуждение.
9
10	cpsize (переменная)	стол	таблица пула констант — массив записей пула констант переменного размера, содержащий такие элементы, как литеральные числа, строки и ссылки на классы или методы. Индексируется, начиная с 1, и содержит ( постоянное количество пулов - 1) общее количество записей (см. примечание).
...
...
...
10+ размер файла	2 байта	ты2	флаги доступа, битовая маска
11+ размер файла
12+ размер кадра	2 байта	ты2	идентифицирует этот класс, индексирует в пуле констант запись типа «Класс»
13+ размер кадра
14+ размер кадра	2 байта	ты2	идентифицирует суперкласс , индексирует в пуле констант запись типа «Класс»
15+ размер страницы
16+ размер кадра	2 байта	ты2	количество интерфейсов, количество записей в следующей таблице интерфейсов
17+ размер изображения
18+ размер кадра	размер (переменная)	стол	таблица интерфейсов: массив переменной длины постоянных индексов пула, описывающий интерфейсы, реализованные этим классом.
...
...
...
18+ размер + размер	2 байта	ты2	количество полей, количество записей в следующей таблице полей
19+ размер + размер
20+ размер + размер	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	ты2	количество методов, количество записей в следующей таблице методов
21+ cpsize + isize + fsize
22+ cpsize + isize + fsize	помоги ему (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	ты2	количество атрибутов, количество записей в следующей таблице атрибутов
23+ cpsize + isize + fsize + msize
24+ cpsize + isize + fsize + msize	размер (переменный)	стол	таблица атрибутов, массив атрибутов переменной длины каждый элемент представляет собой структуру атрибута_info, определенную в https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.7.
...
...
...

Представление на C-подобном языке программирования

Поскольку C не поддерживает несколько массивов переменной длины внутри структуры, приведенный ниже код не будет компилироваться и служит только демонстрацией.

struct Class_File_Format {
   u4 magic_number;

   u2 minor_version;   
   u2 major_version;

   u2 constant_pool_count;   
  
   cp_info constant_pool[constant_pool_count - 1];

   u2 access_flags;

   u2 this_class;
   u2 super_class;

   u2 interfaces_count;   
   
   u2 interfaces[interfaces_count];

   u2 fields_count;   
   field_info fields[fields_count];

   u2 methods_count;
   method_info methods[methods_count];

   u2 attributes_count;   
   attribute_info attributes[attributes_count];
}

Постоянный пул

В таблице пула констант хранится большинство литеральных значений констант. 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 определенные константы в таблице пула констант задаются 16-битными числами (типа u2), где значение индекса 1 относится к первой константе в таблице (значение индекса 0 недопустимо).

Из-за исторического выбора, сделанного во время разработки формата файла, количество констант в таблице пула констант на самом деле не совпадает со счетчиком пула констант, который предшествует таблице. Во-первых, таблица индексируется начиная с 1 (а не с 0), но на самом деле счетчик следует интерпретировать как максимальный индекс плюс один. Кроме того, два типа констант (longs и double) занимают два последовательных слота в таблице, хотя второй такой слот представляет собой фантомный индекс, который никогда не используется напрямую.

Тип каждого элемента (константы) в пуле констант идентифицируется начальным байтовым тегом . Количество байтов, следующих за этим тегом, и их интерпретация зависят от значения тега. Допустимые типы констант и их значения тегов:

Возьмите сдачу	Дополнительные байты	Описание константы	Версия представлена
1	2+ х байт (переменная)	Строка UTF-8 (Юникод): строка символов, перед которой стоит 16-битное число (тип u2), указывающее количество байтов в кодированной 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 , дополняющее два, со знаком в формате с обратным порядком байтов.	1.0.2
4	4 байта	одинарной точности IEEE 754. Плавающее: 32-битное число с плавающей запятой	1.0.2
5	8 байт	Длинное: подписанное 64-битное число, дополняющее до двух, в формате с обратным порядком байтов (занимает два слота в постоянной бильярдной таблице).	1.0.2
6	8 байт	Double: 64-битное число с плавающей запятой двойной точности IEEE 754 (занимает два слота в таблице пула констант).	1.0.2
7	2 байта	Ссылка на класс: индекс в пуле констант для строки UTF-8, содержащей полное имя класса (во внутреннем формате ) (с прямым порядком байтов).	1.0.2
8	2 байта	Ссылка на строку: индекс в пуле констант для строки UTF-8 (также с прямым порядком байтов).	1.0.2
9	4 байта	Ссылка на поле: два индекса в пуле констант, первый указывает на ссылку класса, второй — на дескриптор имени и типа. (с обратным порядком байтов)	1.0.2
10	4 байта	Ссылка на метод: два индекса в пуле констант, первый указывает на ссылку класса, второй — на дескриптор имени и типа. (с обратным порядком байтов)	1.0.2
11	4 байта	Ссылка на метод интерфейса: два индекса в пуле констант, первый указывает на ссылку класса, второй — на дескриптор имени и типа. (с обратным порядком байтов)	1.0.2
12	4 байта	Дескриптор имени и типа: два индекса строк UTF-8 в пуле констант, первый 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 пуле констант.	7
16	2 байта	Тип метода: эта структура используется для представления типа метода и состоит из индекса в пуле констант.	7
17	4 байта	Динамический: используется для указания динамически вычисляемой константы, создаваемой вызовом метода начальной загрузки.	11
18	4 байта	InvokeDynamic: используется инструкцией ignoredynamic для указания метода начальной загрузки, имени динамического вызова, типов аргументов и возвращаемых значений вызова и, при необходимости, последовательности дополнительных констант, называемых статическими аргументами метода начальной загрузки.	7
19	2 байта	Модуль: используется для идентификации модуля.	9
20	2 байта	Пакет: используется для идентификации пакета, экспортированного или открытого модулем.	9

Существует только два типа целочисленных констант: целочисленные и длинные. Другие целочисленные типы, встречающиеся в языке высокого уровня, например логические, байтовые и короткие, должны быть представлены как целочисленные константы.

Имена классов в Java, если они полностью определены, традиционно разделяются точками, например «java.lang.Object». Однако внутри ссылочных констант класса низкого уровня появляется внутренняя форма, в которой вместо этого используются косые черты, например «java/lang/Object».

Строки Unicode, несмотря на прозвище «строка UTF-8», на самом деле не кодируются в соответствии со стандартом Unicode, хотя он и похож. Есть два различия ( см. в UTF-8 полное обсуждение ). Во-первых, кодовая точка U+0000 кодируется как двухбайтовая последовательность C0 80 (в шестнадцатеричном формате) вместо стандартной однобайтовой кодировки 00. Второе отличие заключается в том, что дополнительные символы (те, что находятся за пределами BMP в U+10000 и выше) кодируются с использованием конструкции суррогатной пары, аналогичной UTF-16, а не кодируются напрямую 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 правильную 4-байтовую кодировку UTF-8 F0 9D 84 9E.

См. также

• Байт-код Java

Дальнейшее чтение

• Тим Линдхольм , Фрэнк Йеллин (1999). Спецификация виртуальной машины Java (второе изд.). Прентис Холл. ISBN  0-201-43294-3 . Проверено 13 октября 2008 г. Официальный определяющий документ виртуальной машины Java , который включает формат файла класса. И первое, и второе издания книги находятся в свободном доступе в Интернете для просмотра и/или скачивания .