Class 文件中的魔數、主次版本號與常量池

1. 前言

本節內容主要是介紹 Class 文件結構中的魔數、主次版本號與常量池。本節主要知識點如下：

• Class 文件的數據類型，概念性的知識，為本節基礎知識點；
• Class 文件結構介紹，為本節次重點知識；
• 魔數的定義及所占字節空間，為本節重點內容之一；
• 次版本號與主版本號的定義及對照表，次版本號與主版本號為本節重點內容之一，版本號對照表為了解內容；
• 常量池計數器與常量池的定義及意義，為本節重點內容之一。

2. Class文件數據類型

根據 Java 虛擬機規范的規定，Class 文件格式采用一種類似于 C 語言結構體的偽結構來存儲數據，這種偽結構中只有兩種數據類型：無符號數和表。

• 無符號數：無符號數屬于基本的數據類型，以 u1、u2、u4、u8 來分別代表 1 個字節、2 個字節、4 個字節和 8 個字節；無符號數可以用來描述數字、索引引用、數量值或者按照 UTF-8 編碼構成的字符串值；

• 表：表是由多個無符號數或者其他表作為數據項構成的復合數據類型，所有表都習慣性地以“info”結尾。表用于描述有層次關系的復合結構的數據，整個 Class 文件本質上就是一張表。

Tips：無符號數和表這兩種類型的數據，初次來看非常的抽象，從概念層面來看似乎很難理解。我們無需著急， 本節所講述的魔數，次版本號，主版本號以及常量池計數器皆為無符號數類型，而常量池為表類型，講解這些結構時，我會為大家提供示意圖，使學習者從感官上看到這兩種數據類型，從而徹底理解這兩種數據類型。

3. Class 文件結構

Class 文件是一組以（8位bit的）byte 字節為基礎單位的二進制流。如下圖所示 Class 文件的字節碼示意圖：

上圖中被綠色框圈起來的則為標準的 Class 文件的樣子。左側為軟件本身提供的輔助信息，記錄當前行前面總共有多少個 byte (或者說多少個 u1 )，用于快速定位數據(通過數據偏移量的方式。右側為直接以編輯器打開 Class 文件的樣子，顯示為亂碼。

Tips：使用普通的編輯器打開 Class 文件我們會看到亂碼，如果想要像上圖一樣觀察 Class 文件的話，需要下載專門的編輯器。WinHex 就具備這個功能，有興趣的同學可以安裝 WinHex 并使用。

4. 魔數（Magic Number）

定義：每個 Class 文件的頭 4 個字節（u4）稱為魔數（Magic Number），它的唯一作用是確定這個文件是否為一個能被虛擬機接收的 Class 文件。所有 Class 文件，魔數均為 0xCAFEBABE。

Tips：從Class文件結構圖中，我們可以看到，Class文件的開頭確實是CAFEBABE。下載并安裝 WinHex 的學習者，如果打開任意的一個Class文件，開頭也必然是CAFEBABE。

無符號數結構示意圖：前文提到，魔數是無符號數類型的數據，對于無符號數，我們通常以 u1、u2、u4、u8 來分別代表 1 個字節、2 個字節、4 個字節和 8 個字節。我們先來看下魔數的示意圖：

Tips：上文提到過，魔數開頭為 CAFEBABE，占用 4 個字節，無符號數表示為 u4，那么其中 CA,FE,BA,BE分別占用 1 個字節，無符號數表示為 u1。至此我們了解了魔數的定義及作用，并明白了何為無符號數類型，掌握了魔數的無符號數表示為 u4。

5. 次版本號與主版本號

學前疑問：學習者可能會有疑問，為什么標題說的是次版本號與主版本號，次版本號在前，而主版本號在后呢？先次后主，是不是讀起來感覺有點別扭呢？

疑問解答：特別強調下，對于Class 文件結構，第一部分為 u4 的魔數，魔數后邊緊跟的就是 u2 的次版本號，次版本號后邊才是 u2 的主版本號，此處需要特別注意，從結構上來說，次版本號在前，主版本號在后。

定義：次版本號與主版本號共同標識了我們所使用的的 JDK 版本，如 JDK 1.8.0 版本的次版本號為 u2 大小，用字節碼表示為 00 00，主版本號也是 u2 大小，用字節碼表示為 00 34。

• 次版本號：JDK 版本的小版本號；
• 主版本號：JDK 版本的大版本號。

Tips：如果 Class 文件的開頭 8 個字節分別為 CA FE BA BE 00 00 00 34，那么我們可以確定，這是一個 JVM 可識別的 Class 文件，且使用的 JDK 1.8.0的版本進行的編譯，因為前4個字節魔數為 CA FE BA BE 符合標準，后4 個字節 00 00 00 34 為 JDK 1.8.0的版本。

無符號數結構示意圖：前文提到，次版本號與主版本號也是無符號數類型的數據。我們接下來看下魔數的示意圖：

Tips：至此我們了解了先次后主，了解了次版本號與主版本號分別占用 2 個字節，無符號數表示為 u2。同時我們從整體上了解了，魔數后邊為次版本號，次版本號后邊為主版本號。主版本號后邊緊跟的是什么？不要著急，我們繼續學習。

版本號對照表：開篇的前言部分已經說過，對照表部分為了解內容，這里簡單舉出幾個版本的對照表，了解一下即可。

6. 常量池計數器與常量池

Tips：前文提出過，主版本號后邊緊跟的是什么，現在我們揭開答案，主版本號后邊緊跟的是常量池計數器，常量池計數器后邊緊跟的是常量池。那么常量池后邊緊跟的是什么？此處又提出問題，我們后續講解會有解答。

定義：我們先來看下兩者的定義。

• 常量池計數器：記錄常量池中的常量的數量。由于常量池中的常數的數量是不固定的，所以在常量池的入口放置了一個 u2 類型的數據，來代表常量池容器記數值（constant_pool_count）。常量池計數器也是無符號數類型數據。
• 常量池：Class 文件中的資源倉庫，它是 Class 文件結構中與其他項目關聯最多的數據類型，也是占用Class文件空間最多的數據項目之一，同時它還是 Class 文件中第一個出現的表類型數據項目。

Tips：相信學習者對常量池的興趣會比較大，為什么這么說呢？從常量池定義中，我們看到了一句話：“它還是Class文件中第一個出現的表類型數據項目”。表類型數據，終于等到了 Class 文件的表類型數據結構，我們本節會為學習者提供表類型的機構示意圖。

常量池計數器無符號數結構示意圖：我們還是要按照 Class 文件的結構順序一步一步來說，先要搞明白常量池計數器，然后再去學習表類型的常量池。

常量池計數器，我們對于這種無符號數結構其實已經非常的了解了，所以此處我們點到即止，了解常量池計數器的定義及作用，了解了常量池計數器占用 u2 大小即可。

常量池表結構示意圖：我們終于接觸到了 Class 文件中的表結構，那么我們先睹為快，然后再講解常量池的重要知識點。

常量池中存儲的數據：常量池中主要存放著兩種常量，字面量（Literal）和符號引用（Synbolic References）。

• 字面量包括：文本字符、聲明為 final 的常量值、基礎數據類型的值等；
• 符號引用包括：類和接口的全限定名、字段的名稱和描述符、方法的名稱和描述符。

cp_info類型：cp_info 又可細分為 14 種結構類型。下表中第二列所說的標志，是指每一種數據類型的標記值，此處做簡單了解即可。

7. 小結

本節講解了 Class 文件結構開頭的 3 種結構，魔數，次版本號與主版本號，常量池計數器與常量池。我們了解了它們的定義及意義，也了解了什么是無符號類型數據，什么是表類型數據，我們需要進行重點掌握。

本節我們也拋出了問題，常量池后邊緊跟的結構是什么？我們會在下篇課程中進行講解。本節所了解到的無符號數與表類型數據，有助于我們后續對其他 Class 文件結構的學習。