Java类文件的知识点有哪些？

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个字节的无符号数，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编码构成字符串值。

·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，为了便于区分，所有表的命名都习惯性以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上也可以视作是一张表

每个Class文件的头4个字节被称为魔数（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受的Class文件。不仅是Class文件，很多文件格式标准中都有使用魔数来进行身份识别的习惯，譬如图片格式，如GIF或者JPEG等在文件头中都存有魔数。

Class文件的魔数取得很有“浪漫气息”，值为0xCAFEBABE（咖啡宝贝？）

紧接着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号：第5和第6个字节是次版本号（MinorVersion），第7和第8个字节是主版本号（Major Version）。Java的版本号是从45开始的，JDK 1.1之后的每个JDK大版本发布主版本号向上加1（JDK 1.0～1.1使用了45.0～45.3的版本号），高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但不能运行以后版本的Class文件，

常量池

紧接着主、次版本号之后的是常量池入口，常量池可以比喻为Class文件里的资源仓库，它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据，通常也是占用Class文件空间最大的数据项目之一，另外，它还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目。

常量池中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References）。字面量比较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念，主要包括下面几类常量：

·被模块导出或者开放的包（Package）

·类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）

·字段的名称和描述符（Descriptor）

·方法的名称和描述符

·方法句柄和方法类型（Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic）

·动态调用点和动态常量（Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant）

Java代码在进行Javac编译的时候，并不像C和C++那样有“连接”这一步骤，而是在虚拟机加载Class文件的时候进行动态连接（具体见第7章）。也就是说，在Class文件中不会保存各个方法、字段最终在内存中的布局信息，这些字段、方法的符号引用不经过虚拟机在运行期转换的话是无法得到真正的内存入口地址，也就无法直接被虚拟机使用的。当虚拟机做类加载时，将会从常量池获得对应的符号引用，再在类创建时或运行时解析、翻译到具体的内存地址之中。

常量池中每一项常量都是一个表，最初常量表中共有11种结构各不相同的表结构数据，后来为了更好地支持动态语言调用，额外增加了4种动态语言相关的常量 [1] ，为了支持Java模块化系统（Jigsaw），又加入了CONSTANT_Module_info和CONSTANT_Package_info两个常量，所以截至JDK13，常量表中分别有17种不同类型的常量。

顺便提一下，由于Class文件中方法、字段等都需要引用CONSTANT_Utf8_info型常量来描述名称，所以CONSTANT_Utf8_info型常量的最大长度也就是Java中方法、字段名的最大长度。而这里的最大长度就是length的最大值，既u2类型能表达的最大值65535。所以Java程序中如果定义了超过64KB英文字符的变量或方法名，即使规则和全部字符都是合法的，也会无法编译。

Classfile /D:/BaiduYunDownload/geekbang-lessons/thinking-in-spring/validation/target/classes/org/geekbang/thinking/in/spring/validation/TestClass.class

  Last modified 2020-6-25; size 439 bytes

  MD5 checksum 18760ee8065f9fb68d4dab7bd7450c4c

  Compiled from "TestClass.java"

public class org.geekbang.thinking.in.spring.validation.TestClass

  minor version: 0

  major version: 52

  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

Constant pool:

   #1 = Methodref          #4.#18         // java/lang/Object."":()V

   #2 = Fieldref           #3.#19         // org/geekbang/thinking/in/spring/validation/TestClass.m:I

   #3 = Class              #20            // org/geekbang/thinking/in/spring/validation/TestClass

   #4 = Class              #21            // java/lang/Object

   #5 = Utf8               m

   #6 = Utf8               I

   #7 = Utf8               

   #8 = Utf8               ()V

   #9 = Utf8               Code

  #10 = Utf8               LineNumberTable

  #11 = Utf8               LocalVariableTable

  #12 = Utf8               this

  #13 = Utf8               Lorg/geekbang/thinking/in/spring/validation/TestClass;

  #14 = Utf8               inc

  #15 = Utf8               ()I

  #16 = Utf8               SourceFile

  #17 = Utf8               TestClass.java

  #18 = NameAndType        #7:#8          // "":()V

  #19 = NameAndType        #5:#6          // m:I

  #20 = Utf8               org/geekbang/thinking/in/spring/validation/TestClass

  #21 = Utf8               java/lang/Object

{

  public org.geekbang.thinking.in.spring.validation.TestClass();

    descriptor: ()V

    flags: 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 3: 0

      LocalVariableTable:

        Start  Length  Slot  Name   Signature

            0       5     0  this   Lorg/geekbang/thinking/in/spring/validation/TestClass;

  public int inc();

    descriptor: ()I

    flags: ACC_PUBLIC

    Code:

      stack=2, locals=1, args_size=1

         0: aload_0

         1: getfield      #2                  // Field m:I

         4: iconst_1

         5: iadd

         6: ireturn

      LineNumberTable:

        line 7: 0

      LocalVariableTable:

        Start  Length  Slot  Name   Signature

            0       7     0  this   Lorg/geekbang/thinking/in/spring/validation/TestClass;

}

SourceFile: "TestClass.java"

在常量池结束之后，紧接着的2个字节代表访问标志（access_flags），这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息，包括：这个Class是类还是接口；是否定义为public类型；是否定义为abstract类型；如果是类的话，是否被声明为final；

类索引、父类索引和接口索引集合都按顺序排列在访问标志之后，类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示，它们各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述符常量，通过CONSTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Utf8_info类型的常量中的全限定名字符串。

直到JDK 8中Lambda表达式和接口默认方法的出现，InvokeDynamic指令才算在Java语言生成的Class文件中有了用武之地

所以JDK 8中新增的这个属性，使得编译器可以

（编译时加上-parameters参数）将方法名称也写进Class文件中，而且MethodParameters是方法表的属

性，与Code属性平级的，可以运行时通过反射API获取。

·将一个局部变量加载到操作栈：iload

·将一个数值从操作数栈存储到局部变量表：istore

·将一个常量加载到操作数栈：bipush

iload_，它代表了iload_0、iload_1、iload_2和iload_3这几条指令

·加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd

·减法指令：isub、lsub、fsub、dsub

·乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul

·除法指令：idiv、ldiv、fdiv、ddiv

·求余指令：irem、lrem、frem、drem

·取反指令：ineg、lneg、fneg、dneg

·位移指令：ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr

·按位或指令：ior、lor

·按位与指令：iand、land

·按位异或指令：ixor、lxor

·局部变量自增指令：iinc

·比较指令：dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp

JDK  1.0.2时改动过invokespecial指令的语义，JDK 7增加了invokedynamic指令，禁止了ret和jsr指令。

类的生命周期

加载-> 连接（验证，准备，解析）->初始化->使用->卸载。

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。

public static final int value = 123;

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据Con-stantValue的设置将value赋值为123。

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载

首先，是扩展类加载器（Extension Class Loader）被平台类加载器（Platform Class Loader）取代。这其实是一个很顺理成章的变动，既然整个JDK都基于模块化进行构建（原来的rt.jar和tools.jar被拆分成数十个JMOD文件），其中的Java类库就已天然地满足了可扩展的需求，那自然无须再保留\lib\ext目录，此前使用这个目录或者java.ext.dirs系统变量来扩展JDK功能的机制已经没有继续存在的价值了，用来加载这部分类库的扩展类加载器也完成了它的历史使命。

所有依赖静态类型来决定方法执行版本的分派动作，都称为静态分派。静态分派的最典型应用表现就是方法重载。静态分派发生在编译阶段，因此确定静态分派的动作实际上不是由虚拟机来执行的，这点也是为何一些资料选择把它归入“解析”而不是“分派”的原因。

在Java虚拟机支持以下5条方法调用字节码指令，分别是：

·invokestatic。用于调用静态方法。

·invokespecial。用于调用实例构造器()方法、私有方法和父类中的方法。

·invokevirtual。用于调用所有的虚方法。

·invokeinterface。用于调用接口方法，会在运行时再确定一个实现该接口的对象。

·invokedynamic。先在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，然后再执行该方法。前面4条调用指令，分派逻辑都固化在Java虚拟机内部，而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户设定的引导方法来决定的。

只要能被invokestatic和invokespecial指令调用的方法，都可以在解析阶段中确定唯一的调用版本，Java语言里符合这个条件的方法共有静态方法、私有方法、实例构造器、父类方法4种，再加上被final修饰的方法（尽管它使用invokevirtual指令调用），这5种方法调用会在类加载的时候就可以把符号引

用解析为该方法的直接引用。这些方法统称为“非虚方法”（Non-Virtual Method），与之相反，其他方法就被称为“虚方法”（Virtual Method）。

解析调用一定是个静态的过程，在编译期间就完全确定，在类加载的解析阶段就会把涉及的符号引用全部转变为明确的直接引用，不必延迟到运行期再去完成。而另一种主要的方法调用形式：分派（Dispatch）调用则要复杂许多，它可能是静态的也可能是动态的，按照分派依据的宗量数可分为单分派和多分派 [1] 。这两类分派方式两两组合就构成了静态单分派、静态多分派、动态单分派、动态多分派4种分派组合情况，下面我们来看看虚拟机中的方法分派是如何进行的。

代码中故意定义了两个静态类型相同，而实际类型不同的变量，但虚拟机（或者准确地说是编译器）在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型作为

判定依据的。由于静态类型在编译期可知，所以在编译阶段，Javac编译器就根据参数的静态类型决定了会使用哪个重载版本，因此选择了sayHello(Human)作为调用目标，并把这个方法的符号引用写到main()方法里的两条invokevirtual指令的参数中。

所有依赖静态类型来决定方法执行版本的分派动作，都称为静态分派。静态分派的最典型应用表现就是方法重载。静态分派发生在编译阶段，因此确定静态分派的动作实际上不是由虚拟机来执行的，这点也是为何一些资料选择把它归入“解析”而不是“分派”的原因。

可见变长参数的重载优先级是最低的。字段永远不参与多态，哪个类的方法访问某个名字的字段时，该名字指的就是这个类能看到的那个字段。

重点

正是因为invokevirtual指令执行的第一步就是在运行期确定接收者的实际类型，所以两次调用中的invokevirtual指令并不是把常量池中方法的符号引用解析到直接引用上就结束了，还会根据方法接收者的实际类型来选择方法版本，这个过程就是Java语言中方法重写的本质。我们把这种在运行期根据实际类型确定方法执行版本的分派过程称为动态分派。多态性的根源在于虚方法调用指令invokevirtual的执行逻辑，那自然我们得出的结论就只会对方法有效，对字段是无效的，因为字段不使用这条指令。

Java语言是一门静态多分派、动态单分派的语言。

为了程序实现方便，具有相同签名的方法，在父类、子类的虚方法表中都应当具有一样的索引序号，这样当类型变换时，仅需要变更查找的虚方法表，就可以从不同的虚方法表中按索引转换出所需的入口地址。虚方法表一般在类加载的连接阶段进行初始化，准备了类的变量初始值后，虚拟机会把该类的虚方法表也一同初始化完毕。

动态类型语言支持

Java虚拟机的字节码指令集的数量自从Sun公司的第一款Java虚拟机问世至今，二十余年间只新增过一条指令，它就是随着JDK 7的发布的字节码首位新成员——invokedynamic指令。这条新增加的指令是JDK 7的项目目标：实现动态类型语言（Dynamically Typed Language）支持而进行的改进之一，也是为JDK 8里可以顺利实现Lambda表达式而做的技术储备。

何谓动态类型语言 [1] ？动态类型语言的关键特征是它的类型检查的主体过程是在运行期而不是编译期进行的，满足这个特征的语言有很多，常用的包括：APL、Clojure、Erlang、Groovy、javaScript、Lisp、Lua、PHP、Prolog、Python、Ruby、Smalltalk、Tcl，等等。那相对地，在编译期就进行类型检查过程的语言，譬如C++和Java等就是最常用的静态类型语言。变量无类型而变量值才有类型

在Java虚拟机层面上提供动态类型的直接支持就成为Java平台发展必须解决的问题，这便是JDK 7时JSR-292提案中invokedynamic指令以及java.lang.invoke包出现的技术背景。

JDK 7时新加入的java.lang.invoke包 [1] 是JSR 292的一个重要组成部分，这个包的主要目的是在之前单纯依靠符号引用来确定调用的目标方法这条路之外，提供一种新的动态确定目标方法的机制，称为“方法句柄”（Method Handle）。

·Reflection和MethodHandle机制本质上都是在模拟方法调用，但是Reflection是在模拟Java代码层次的方法调用，而MethodHandle是在模拟字节码层次的方法调用。

在Tomcat目录结构中，可以设置3组目录（/common/*、/server/*和/shared/*，但默认不一定是开放的，可能只有/lib/*目录存在）用于存放Java类库，另外还应该加上Web应用程序自身的“/WEB-INF/*”目录，一共4组。把Java类库放置在这4组目录中，每一组都有独立的含义，分别是：

·放置在/common目录中。类库可被Tomcat和所有的Web应用程序共同使用。

·放置在/server目录中。类库可被Tomcat使用，对所有的Web应用程序都不可见。

·放置在/shared目录中。类库可被所有的Web应用程序共同使用，但对Tomcat自己不可见。

·放置在/WebApp/WEB-INF目录中。类库仅仅可以被该Web应用程序使用，对Tomcat和其他Web应用程序都不可见。

为了支持这套目录结构，并对目录里面的类库进行加载和隔离，Tomcat自定义了多个类加载器，这些类加载器按照经典的双亲委派模型来实现

Common类加载器、Catalina类加载器（也称为Server类加载器）、Shared类加载器和Webapp类加载器则是Tomcat自己定义的类加载器，它们分别加载/common/*、/server/*、/shared/*和/WebApp/WEB-INF/*中的Java类库。其中WebApp类加载器和JSP类加载器通常还会存在多个实例，每一个Web应用程序对应一个WebApp类加载器，每一个JSP文件对应一个JasperLoader类加载器。

而JasperLoader的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个Class文件，它存在的目的就是为了被丢弃：当服务器检测到JSP文件被修改时，会替换掉目前的JasperLoader的实例，并通过再建立一个新的JSP类加载器来实现JSP文件的HotSwap功能。