谈到类文件结构，就要从 Java 虚拟机说起。
一、Java虚拟机是一个与语言无关的平台
实现语言无关性的基础是虚拟机和字节码存储格式。 Java 虚拟机不与任何语言绑定，它只与 “Class 文件” 这种特定的二进制文件格式所关联。
任意一门语言都可以按照 Java 虚拟机规范把程序代码编译成 Class 文件，然后在虚拟机上运行。例如：使用 Java 编译器可以把 Java 代码编译成存储字节码的 Class 文件，使用 JRuby等其他语言的编译器一样可以把程序代码编译成 Class 文件，虚拟机并不关心 Class 的来源是何种语言，如下图所示：
二、什么是 Class 类文件结构？
任意一个有效的类或接口所应当满足的格式称为 “Class 文件格式”，实际上它不一定以磁盘文件的形式存在。
Class 文件是一组以 8 位字节为基础单位的二进制流，各项数据项目严格按照顺序紧凑地排列在 Class 文件之中。当遇到需要占用 8 位字节以上空间的数据项时，则会按照高位在前（Big–Endian）的方式分割成若干个 8 位字节进行存储。
"Class 文件"说白了就是程序代码编码解码的中间结果。将程序代码编译成 Class 文件的过程就是编码，而虚拟机加载 Class 文件的过程就是解码的过程，编码和解码需要严格虚拟机规范。
下面开始详细的介绍 Class 文件格式（这个过程比较枯燥，但这是了解虚拟机的重要基础之一）：
根据 Java 虚拟机规范的规定，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，这种伪结构只有两种数据类型：无符号数和表。所以这里先介绍无符号数和表这两个概念：
（1）无符号数
- 无符号数属于基本的数据类型，以
u1、u2、u4、u8来分别表示 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。
（2）表
- 表是有多个无符号数或者其他表作为数据项构成的符合数据类型，所有表都习惯性地以 “_info” 结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据。
Class 文件本质上就是一张表：
由于表中存在一些不定项，所以采取了 “size + size 个数据项” 的形式来描述，如上图中的 fields_count 表示 field_info 的个数，其后跟了 fields_count 个 field_info。
注：由于这个地方是用 u2 即 2 个字节的无符号数来表示个数，那么，假如一个类的 field 的个数超过了 2 个字节所能表示的最大值，则该类会编译失败，不过这种情况基本上不可能出现
接下来逐个理解上表中各个数据项的具体含义：
我们以最简单的一个 Java 代码为例：
package com.yhh.example;
public class TestClass {
private int index;
public Integer inc() {
return index++;
}
}
首先通过 javac TestClass.java 得到编译后的 TestClass.class 文件。
然后通过 hexdump -C ClassName.class 命令查看文件 TestClass.class 的内容（稍后会以这个为基础进行举例）：
➜ example git:(master) ✗ hexdump -C TestClass.class
00000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 19 0a 00 05 00 10 09 |.......4........|
00000010 00 04 00 11 0a 00 12 00 13 07 00 14 07 00 15 01 |................|
00000020 00 05 69 6e 64 65 78 01 00 01 49 01 00 06 3c 69 |..index...I...<i|
00000030 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29 56 01 00 04 43 6f 64 |nit>...()V...Cod|
00000040 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e 75 6d 62 65 72 54 61 |e...LineNumberTa|
00000050 62 6c 65 01 00 03 69 6e 63 01 00 15 28 29 4c 6a |ble...inc...()Lj|
00000060 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 49 6e 74 65 67 65 72 |ava/lang/Integer|
00000070 3b 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46 69 6c 65 01 00 |;...SourceFile..|
00000080 0e 54 65 73 74 43 6c 61 73 73 2e 6a 61 76 61 0c |.TestClass.java.|
00000090 00 08 00 09 0c 00 06 00 07 07 00 16 0c 00 17 00 |................|
000000a0 18 01 00 19 63 6f 6d 2f 79 68 68 2f 65 78 61 6d |....com/yhh/exam|
000000b0 70 6c 65 2f 54 65 73 74 43 6c 61 73 73 01 00 10 |ple/TestClass...|
000000c0 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 |java/lang/Object|
000000d0 01 00 11 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 49 6e 74 |...java/lang/Int|
000000e0 65 67 65 72 01 00 07 76 61 6c 75 65 4f 66 01 00 |eger...valueOf..|
000000f0 16 28 49 29 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 49 |.(I)Ljava/lang/I|
00000100 6e 74 65 67 65 72 3b 00 21 00 04 00 05 00 00 00 |nteger;.!.......|
00000110 01 00 02 00 06 00 07 00 00 00 02 00 01 00 08 00 |................|
00000120 09 00 01 00 0a 00 00 00 1d 00 01 00 01 00 00 00 |................|
00000130 05 2a b7 00 01 b1 00 00 00 01 00 0b 00 00 00 06 |.*..............|
00000140 00 01 00 00 00 03 00 01 00 0c 00 0d 00 01 00 0a |................|
00000150 00 00 00 27 00 04 00 01 00 00 00 0f 2a 59 b4 00 |...'........*Y..|
00000160 02 5a 04 60 b5 00 02 b8 00 03 b0 00 00 00 01 00 |.Z.`............|
00000170 0b 00 00 00 06 00 01 00 00 00 07 00 01 00 0e 00 |................|
00000180 00 00 02 00 0f |.....|
00000185
1. 魔数和 Class 文件的版本
每个 Class 文件的头 4 个字节称为魔数（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。使用魔数而不是拓展名来进行识别主要是基于安全方面的考虑，因为文件拓展名可以随意更改。
魔数的值为 0xCAFEBABE
紧接着魔数的 4 个字节是 Class 文件的版本号：第 5 和第 6 个字节是次版本号（Minor Version），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，即使文件格式并未发生任何变化，虚拟机也必须拒绝执行超过其版本号的 Class 文件。
以 TestClass.class 为例：
00000000 ca fe ba be 00 00 00 34
可以看到，头 4 个字节为 0xcafebabe ，然后是次版本号 0x0000 ，而主版本号为 0x0034，即十进制的52，即 Class 文件的十进制版本号为：52.0，说明该文件是使用 JDK 1.8 编译的 Class 文件。
2. 常量池
紧接着主次版本号之后的是常量池入口，常量池可以理解为 Class 文件之中的资源仓库，它是 Class 文件结构中与其他项目关联最多的数据类型，也是占用 Class 文件空间最大的数据项目之一。
由于常量池中常量的数量是不固定的，所以需要有一个 u2 类型的数据来表示常量池容量计数值（ constant_pool_count ）。这里需要注意的是，常量池容量计数值是从 1 而不是 0 开始的，这是因为第 0 项常量空出来是有特殊考虑的，这样做的目的在于满足在特定情况下表达 “不引用任何一个常量池项目” 的含义，这种情况可以把索引值置为 0 来表示。 Class 文件结构中只有常量池的容量计数是从 1 开始，对于其他集合类型，都是从 0 开始的。
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、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，包括了下面三类常量：
1）类和接口的全限定名
2）字段的名称和描述符
3）方法的名称和描述符
常量池中每一项常量都是一个表，它们有一个共同点：就是表开始的第一位是一个 u2 类型的标志位，代表当前这个常量属于哪种类型。常量类型所代表的具体含义见下图：
CONSTANT_Class_info 的结构比较简单，见下图：
tag 是标志位，代表它是属于哪种常量类型；name_index 是一个索引值，它指向常量池中一个 CONSTANT_Utf8_info 类型常量。
CONSTANT_Utf8_info型常量的结构如下：
tag 同上；length 代表这个 UTF-8 编码的字符串长度是多少字节，后面紧跟着的长度为 length 字节的连续数据是一个使用 UTF-8 缩略编码表示的字符串。
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。如果 Java 程序中如果定义了超过这个最大长度的变量名或方法名，将会无法编译。
下图是常量池中所有常量项的结构总表：
以 TestClass.class 为例：
00 19 0a 00 05 00 10 09 |.......4........|
00000010 00 04 00 11 0a 00 12 00 13 07 00 14 07 00 15 01 |................|
00000020 00 05 69 6e 64 65 78 01 00 01 49 01 00 06 3c 69 |..index...I...<i|
00000030 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29 56 01 00 04 43 6f 64 |nit>...()V...Cod|
00000040 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e 75 6d 62 65 72 54 61 |e...LineNumberTa|
00000050 62 6c 65 01 00 03 69 6e 63 01 00 15 28 29 4c 6a |ble...inc...()Lj|
00000060 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 49 6e 74 65 67 65 72 |ava/lang/Integer|
00000070 3b 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46 69 6c 65 01 00 |;...SourceFile..|
00000080 0e 54 65 73 74 43 6c 61 73 73 2e 6a 61 76 61 0c |.TestClass.java.|
00000090 00 08 00 09 0c 00 06 00 07 07 00 16 0c 00 17 00 |................|
000000a0 18 01 00 19 63 6f 6d 2f 79 68 68 2f 65 78 61 6d |....com/yhh/exam|
000000b0 70 6c 65 2f 54 65 73 74 43 6c 61 73 73 01 00 10 |ple/TestClass...|
000000c0 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 |java/lang/Object|
000000d0 01 00 11 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 49 6e 74 |...java/lang/Int|
000000e0 65 67 65 72 01 00 07 76 61 6c 75 65 4f 66 01 00 |eger...valueOf..|
000000f0 16 28 49 29 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 49 |.(I)Ljava/lang/I|
00000100 6e 74 65 67 65 72 3b
第一项 u2 类型 0x0019 为常量池的容量，即十进制的 25 ，代表一共有 24（第 0 项空出来有特殊用途）项常量。然后是一位 u1 类型为 tag， 0x0a，代表是类中方法的符号引用（ CONSTANT_Class_info ），然后是 u2 类型，index ，0x0005 ，表示声明方法的类描述符的为常量池第 5 项常量。接下来还是 u2 类型， index ， 0x0010 ，表示名称即类型描述符为常量池第 16 项常量。然后第一项常量就结束了，继续第二个常量。tag， 0x09 ，代表类中字段的符号引用（ CONSTANT_Fieldref_info ），然后 u2 类型， index ， 0x0004 ，表示声明字段的类或接口描述符为常量池第 4 项常量。 0x0011 ， 表示字段的描述符为常量池中第 17 项常量，第二项常量结束。然后继续按照此方法，可以得到剩下的 22 项常量。
3. 访问标志
在常量池结束之后，紧接着的两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 等。具体标志及含义如下图：
以 TestClass.class 为例：
00000108 00 21
通过分析代码，只有 0x0001 和 0x0020 两个标志位为真，即它的 access_flags 的值应为 0x0021 ，通过前面的计算，可以知道 access_flags 标志（偏移地址： 0x00000108 ）的确为 0x0021 。
4. 类索引、父类索引和接口索引集合
类索引（this_class）和父类索引（super_class）都是一个 u2 类型的数据，而接口索引集合（interfaces）是一组 u2 类型的数据的集合，Class 文件通过这三项数据来确定这个类的继承关系。
类索引、父类索引和接口索引集合都按照顺序排列在访问标志之后，类索引和父类索引引用两个 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，从而得到全限定名字符串。
而接口索引集合，第一项为接口计数器，表示索引表的容量。如果该类没有实现任何接口，则该计数器值为 0。
以 TestClass.class 为例：
0000010a 00 04 00 05 00 00
第一项 u2 类型 0x0004 ，表示该类的全限定名为常量池中第 4 项常量（ com/yhh/example/TestClass ），第二项 u2 类型 0x0005 ，表示该类的父类全限定名为常量池中第 5 项常量（ java/lang/Object ），紧接着一项 u2 类型 0x0000 表示接口索引集合大小为 0 。
5. 字段表集合
字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量。字段（field）包括类级变量以及实例级变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。
字段表结构如下：
字段修饰符放在 access_flags 项目中，可以设置的标志位及含义如下：、
跟随 access_flags 标志的是两个索引值：name_index 和 descriptor_index。它们都是对常量池的引用，分别代表着字段的简单名称以及字段和方法的描述符。
关于字段和方法的描述符的标识字符及含义如下：
对于数组类型，每一维度将使用一个前置的 “[” 字符来描述，如一个定义为 “java.lang.String[][]” 类型的二维数组表示为："[[Ljava/lang/String"，一个整型数组 “int[]” 将被记录为 “[I”。
描述方法时，按照先参数列表，后返回值的顺序描述，参数列表按照参数的严格顺序放在一组小括号 “()” 之内。如方法 void inc() 的描述符为 “()V”，方法 java.lang.String toString() 的描述符为 “()Ljava/lang/String;”。
以 TestClass.class 为例：
0000010a 00 |nteger;.!.......|
00000110 01 00 02 00 06 00 07 00 00
第一项 u2 类型值为 0x0001 ，代表集合中只有一个方法，第二项 u2 类型为 access_flags ，值为 0x0002 ，表示方法是 private 的，第三项 u2 类型为 name_index ，值为 0x0006 ，即字段的简单名称指向常量池中第六项常量，第三项 u2 类型为 descriptor_index ，值为 0x0007 ，即字段和方法的描述符指向常量池第七项常量。接下来一个 u2 类型值为 0x0000 ，说明没有需要额外描述的内容。
6. 方法表集合
方法表（method_info）结构和字段表结构是一模一样的，除了访问标志和属性表集合的可选项有所区别。
因为 volatile 关键字和 transient 关键字不能修饰方法，所以方法表的访问标志中没有了 ACC_VLOLATILE 标志和 ACC_TRANSIENT 标志。与之对应的，新增了 synchronized 、native 、 strictfp 和 abstract 关键字的访问标志。具体标志位及其取值见下表：
以 TestClass.class 为例：
0000011a 00 02 00 01 00 08 00 |................|
00000120 09 00 01 00 0a 00 00 00 1d 00 01 00 01 00 00 00 |................|
00000130 05 2a b7 00 01 b1 00 00 00 01 00 0b 00 00 00 06 |.*..............|
00000140 00 01 00 00 00 03 00 01 00 0c 00 0d 00 01 00 0a |................|
00000150 00 00 00 27 00 04 00 01 00 00 00 0f 2a 59 b4 00 |...'........*Y..|
00000160 02 5a 04 60 b5 00 02 b8 00 03 b0 00 00 00 01 00 |.Z.`............|
00000170 0b 00 00 00 06 00 01 00 00 00 07
方法表和字段表没有太大区别， 0x0002 代表有两个方法，第一个方法访问标志是 0x0001 ，即是 public 的， name_index 为 0x0008 ，指向常量池中第 8 项常量， descriptor_index 为 0x0009 ，指向常量池中第 9 项常量； 下一个 u2 类型为 attributes_count ，值为 0x0001 ，说明有一个属性值，紧接着是 attribute_name_index 为 0x000a ，即指向常量池中第 10 项常量，通过查找得到，第 10 项常量为 Code ，下一个 u4 类型为 attribute_length ，值为 0x0000001d ，即 29 ，下一个 u2 类型为 max_stack ，值为 0x0001 ，表示操作数栈深度的最大值，下一个 u2 类型为 max_locals ，值为 0x0001 ，代表了局部变量表所需的存储空间；接下来是 code_length 和 code ，用来存储 Java 源程序编译后生成的字节码指令，第一个 u4 类型为 code_length ，值为 0x00000005 ，表示字节码区域共占 5 个字节，然后读入紧随的 5 个字节，并根据字节码指令表翻译出对应的字节码指令。
翻译 2a b7 00 01 b1 的过程为：
1）读入 2a ，查表得 0x2a 对应的指令为 aload_0 ，这个指令的含义是将第 0 个 Slot 中为 reference 类型的本地变量推送到操作数栈顶。
2）读入 b7 ，查表得 0xb7 对应的指令为 invokespecial ，其后有一个 u2 类型的参数说明调用哪一个方法。
3）读入 0001 ，是 invokespecial 指令的参数，指向常量池中第 1 个常量。
4）读入 b1 ，查表得 0xb1 对应的指令为 return ，含义是返回此方法，并且返回值为 void ，方法结束。
后面就都是根据类似的方法推出得到。
7. 属性表集合
在 Class 文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景专有的信息。
以 TestClass.class 为例：
0000017b 00 01 00 0e 00 |................|
00000180 00 00 02 00 0f |.....|
00000185
包含一个 SourceFile 的属性，sourcefile_index 值为 0x000f ，指向常量池第 15 个常量。
至此，TestClass.class 文件字节码分析结束。
最后使用 javap 工具来得到一个完整的 TestClass.class 文件字节码内容如下：
➜ example git:(master) ✗ javap -verbose TestClass.class
Classfile /Users/yanghaihui/project/github/code/java/src/main/java/com/yhh/example/TestClass.class
Last modified Jun 9, 2018; size 389 bytes
MD5 checksum 510375b08360425cddc8b51216c5155d
Compiled from "TestClass.java"
public class com.yhh.example.TestClass
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #5.#16 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #4.#17 // com/yhh/example/TestClass.index:I
#3 = Methodref #18.#19 // java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
#4 = Class #20 // com/yhh/example/TestClass
#5 = Class #21 // java/lang/Object
#6 = Utf8 index
#7 = Utf8 I
#8 = Utf8 <init>
#9 = Utf8 ()V
#10 = Utf8 Code
#11 = Utf8 LineNumberTable
#12 = Utf8 inc
#13 = Utf8 ()Ljava/lang/Integer;
#14 = Utf8 SourceFile
#15 = Utf8 TestClass.java
#16 = NameAndType #8:#9 // "<init>":()V
#17 = NameAndType #6:#7 // index:I
#18 = Class #22 // java/lang/Integer
#19 = NameAndType #23:#24 // valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
#20 = Utf8 com/yhh/example/TestClass
#21 = Utf8 java/lang/Object
#22 = Utf8 java/lang/Integer
#23 = Utf8 valueOf
#24 = Utf8 (I)Ljava/lang/Integer;
{
public com.yhh.example.TestClass();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
public java.lang.Integer inc();
descriptor: ()Ljava/lang/Integer;
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=4, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: getfield #2 // Field index:I
5: dup_x1
6: iconst_1
7: iadd
8: putfield #2 // Field index:I
11: invokestatic #3 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
14: areturn
LineNumberTable:
line 7: 0
}
SourceFile: "TestClass.java"
参考文献：《深入理解java虚拟机》周志明 著.
