如何实现一个 Java Class 解析器

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最近在写一个私人项目,名字叫做 ClassAnalyzerClassAnalyzer 的目的是能让我们对 Java Class 文件的设计与结构能够有一个深入的理解。主体框架与基本功能已经完成,还有一些细节功能日后再增加。实际上 JDK 已经提供了命令行工具 javap 来反编译 Class 文件,但本篇文章将阐明我实现解析器的思路。

Class 文件

作为类或者接口信息的载体,每个 Class 文件都完整的定义了一个类。为了使 Java 程序可以“编写一次,处处运行”,Java 虚拟机规范Class 文件进行了严格的规定。构成 Class 文件的基本数据单位是字节,这些字节之间不存在任何分隔符,这使得整个 Class 文件中存储的内容几乎全部是程序运行的必要数据,单个字节无法表示的数据由多个连续的字节来表示。

根据 Java 虚拟机规范,Class 文件采用一种类似于 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。Java 虚拟机规范定义了 u1u2u4u8 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、数量值或者是字符串。表是由多个无符号数或者其它表作为数据项构成的复合数据类型,表用于描述有层次关系的复合结构的数据,因此整个 Class 文件本质上就是一张表。在 ClassAnalyzeru1u2u4u8 分别对应于 byteshortintlongClass 文件被描述为如下 Java 类。

public class ClassFile {

    public U4 magic;                            // magic
    public U2 minorVersion;                     // minor_version
    public U2 majorVersion;                     // major_version
    public U2 constantPoolCount;                // constant_pool_count
    public ConstantPoolInfo[] cpInfo;           // cp_info
    public U2 accessFlags;                      // access_flags
    public U2 thisClass;                        // this_class
    public U2 superClass;                       // super_class
    public U2 interfacesCount;                  // interfaces_count
    public U2[] interfaces;                     // interfaces
    public U2 fieldsCount;                      // fields_count
    public FieldInfo[] fields;                  // fields
    public U2 methodsCount;                     // methods_count
    public MethodInfo[] methods;                // methods
    public U2 attributesCount;                  // attributes_count
    public BasicAttributeInfo[] attributes;     // attributes

}

如何解析

组成 Class 文件的各个数据项中,例如魔数、Class 文件的版本、访问标志、类索引和父类索引等数据项,它们在每个 Class 文件中都占用固定数量的字节,在解析时只需要读取相应数量的字节。除此之外,需要灵活处理的主要包括 4 部分:常量池、字段表集合、方法表集合和属性表集合。字段和方法都可以具备自己的属性,Class 本身也有相应的属性,因此,在解析字段表集合和方法表集合的同时也包含了属性表的解析。

常量池占据了 Class 文件很大一部分的数据,用于存储所有的常量信息,包括数字和字符串常量、类名、接口名、字段名和方法名等。Java 虚拟机规范定义了多种常量类型,每一种常量类型都有自己的结构。常量池本身是一个表,在解析时有几点需要注意。

  • 每个常量类型都通过一个 u1 类型的 tag 来标识。

  • 表头给出的常量池大小(constantPoolCount)比实际大 1,例如,如果 constantPoolCount 等于 47,那么常量池中有 46 项常量。

  • 常量池的索引范围从 1 开始,例如,如果 constantPoolCount 等于 47,那么常量池的索引范围为 1~46。设计者将第 0 项空出来的目的是用于表达“不引用任何一个常量池项目”。

  • CONSTANT_Utf8_info 型常量的结构中包含 u1 类型的 tagu2 类型的 length 和由 lengthu1 类型组成的 bytes,这 length 字节的连续数据是一个使用 MUTF-8Modified UTF-8) 编码的字符串。MUTF-8UTF-8 并不兼容,主要区别有两点:一是 null 字符会被编码成 2 字节(0xC00x80);二是补充字符是按照 UTF-16 拆分为代理对分别编码的,相关细节可以看这里(变种 UTF-8)

属性表用于描述某些场景专有的信息,Class 文件、字段表和方法表都有相应的属性表集合。Java 虚拟机规范定义了多种属性,ClassAnalyzer 目前实现了对常用属性的解析。和常量类型的数据项不同,属性并没有一个 tag 来标识属性的类型,但是每个属性都包含有一个 u2 类型的 attribute_name_indexattribute_name_index 指向常量池中的一个 CONSTANT_Utf8_info 类型的常量,该常量包含着属性的名称。在解析属性时,ClassAnalyzer 正是通过 attribute_name_index 指向的常量对应的属性名称来得知属性的类型。

字段表用于描述类或者接口中声明的变量,字段包括类级变量以及实例级变量。字段表的结构包含一个 u2 类型的 access_flags、一个 u2 类型的 name_index、一个 u2 类型的 descriptor_index、一个 u2 类型的 attributes_countattributes_countattribute_info 类型的 attributes。我们已经介绍了属性表的解析,attributes 的解析方式与属性表的解析方式一致。

Class 的文件方法表采用了和字段表相同的存储格式,只是 access_flags 对应的含义有所不同。方法表包含着一个重要的属性:Code 属性。Code 属性存储了 Java 代码编译成的字节码指令,在 ClassAnalyzer 中,Code 对应的 Java 类如下所示(仅列出了类属性)。

public class Code extends BasicAttributeInfo {

    private short maxStack;
    private short maxLocals;
    private long codeLength;
    private byte[] code;
    private short exceptionTableLength;
    private ExceptionInfo[] exceptionTable;
    private short attributesCount;
    private BasicAttributeInfo[] attributes;
	...

    private class ExceptionInfo {
        public short startPc;
        public short endPc;
        public short handlerPc;
        public short catchType;
      	...
    }
}

Code 属性中,codeLengthcode 分别用于存储字节码长度和字节码指令,每条指令即一个字节(u1 类型)。在虚拟机执行时,通过读取 code 中的一个个字节码,并将字节码翻译成相应的指令。另外,虽然 codeLength 是一个 u4 类型的值,但是实际上一个方法不允许超过 65535 条字节码指令。

代码实现

ClassAnalyzer 的源码已放在了 GitHub 上。在 ClassAnalyzerREADME 中,我以一个类的 Class 文件为例,对该 Class 文件的每个字节进行了分析,希望对大家的理解有所帮助。

参考

  • Java

    Java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言,是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。

    3165 引用 • 8206 回帖 • 1 关注
  • JVM

    JVM(Java Virtual Machine)Java 虚拟机是一个微型操作系统,有自己的硬件构架体系,还有相应的指令系统。能够识别 Java 独特的 .class 文件(字节码),能够将这些文件中的信息读取出来,使得 Java 程序只需要生成 Java 虚拟机上的字节码后就能在不同操作系统平台上进行运行。

    180 引用 • 120 回帖 • 3 关注
  • class
    4 引用 • 3 回帖 • 1 关注

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  • vanlin

    这个牛 xxx 了