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如何实现一个Java Class解析器

2017-05-23 20:54 676 查看

最近在写一个私人项目，名字叫做

ClassAnalyzer

，

ClassAnalyzer

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虚拟机规范对

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

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

u1

、

u2

、

u4

和

u8

来分别表示

个字节、

个字节和

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

ClassAnalyzer

中，

byte

、

short

、

int

和

long

分别对应

u1

、

u2

、

u4

和

u8

数据类型，

Class

文件被描述为如下

Java

类。

1234567891011121314151617181920

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

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集合的解析。

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

，例如，如果

constantPoolCount

等于

，那么常量池中有

项常量。

常量池的索引范围从

开始，例如，如果

constantPoolCount

等于

，那么常量池的索引范围为

1
~ 46

。设计者将第

项空出来的目的是用于表达“不引用任何一个常量池项目”。
如果一个

CONSTANT_Long_info

或

CONSTANT_Double_info

结构的项在常量池中的索引为

，则常量池中下一个有效的项的索引为

n+2

，此时常量池中索引为

n+1

的项有效但必须被认为不可用。

CONSTANT_Utf8_info

型常量的结构中包含一个

u1

类型的

tag

、一个

u2

类型的

length

和由

length

个

u1

类型组成的

bytes

，这

length

字节的连续数据是一个使用

MUTF-8

（

Modified
UTF-8）

编码的字符串。

MUTF-8

与

UTF-8

并不兼容，主要区别有两点：一是

null

字符会被编码成

字节（

0xC0

和

0x80

）；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。与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_index

，

attribute_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_count

和

attributes_count

个

attribute_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）。

1234567891011121314151617181920

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; ... }}

在

Code

属性中，

codeLength

和

code

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

条字节码指令。

代码实现

ClassAnalyzer

的源码已放在了GitHub上。在

ClassAnalyzer

的README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。

Demo

TestClass.java

package org.tinylcy;

public class TestClass implements Cloneable {

public static final String TAG = "tinylcy";
private int num;

public void inc() {
num++;
}

public int exception() {
int x;
try {
x = 1;
return x;
} catch (Exception e) {
x = 2;
return x;
} finally {
x = 3;
}
}

public static void showTag() {
System.out.println(TAG);
}
}

TestClass.class

cafe babe 0000 0031 0030 0a00 0800 1f09
0005 0020 0700 2109 0022 0023 0700 2408
0025 0a00 2600 2707 0028 0700 2901 0003
5441 4701 0012 4c6a 6176 612f 6c61 6e67
2f53 7472 696e 673b 0100 0d43 6f6e 7374
616e 7456 616c 7565 0100 036e 756d 0100
0149 0100 063c 696e 6974 3e01 0003 2829
5601 0004 436f 6465 0100 0f4c 696e 654e
756d 6265 7254 6162 6c65 0100 124c 6f63
616c 5661 7269 6162 6c65 5461 626c 6501
0004 7468 6973 0100 174c 6f72 672f 7469
6e79 6c63 792f 5465 7374 436c 6173 733b
0100 0369 6e63 0100 0965 7863 6570 7469
6f6e 0100 0328 2949 0100 0178 0100 0165
0100 154c 6a61 7661 2f6c 616e 672f 4578
6365 7074 696f 6e3b 0100 0773 686f 7754
6167 0100 0a53 6f75 7263 6546 696c 6501
000e 5465 7374 436c 6173 732e 6a61 7661
0c00 0f00 100c 000d 000e 0100 136a 6176
612f 6c61 6e67 2f45 7863 6570 7469 6f6e
0700 2a0c 002b 002c 0100 156f 7267 2f74
696e 796c 6379 2f54 6573 7443 6c61 7373
0100 0774 696e 796c 6379 0700 2d0c 002e
002f 0100 106a 6176 612f 6c61 6e67 2f4f
626a 6563 7401 0013 6a61 7661 2f6c 616e
672f 436c 6f6e 6561 626c 6501 0010 6a61
7661 2f6c 616e 672f 5379 7374 656d 0100
036f 7574 0100 154c 6a61 7661 2f69 6f2f
5072 696e 7453 7472 6561 6d3b 0100 136a
6176 612f 696f 2f50 7269 6e74 5374 7265
616d 0100 0770 7269 6e74 6c6e 0100 1528
4c6a 6176 612f 6c61 6e67 2f53 7472 696e
673b 2956 0021 0005 0008 0001 0009 0002
0019 000a 000b 0001 000c 0000 0002 0006
0002 000d 000e 0000 0004 0001 000f 0010
0001 0011 0000 002f 0001 0001 0000 0005
2ab7 0001 b100 0000 0200 1200 0000 0600
0100 0000 0600 1300 0000 0c00 0100 0000
0500 1400 1500 0000 0100 1600 1000 0100
1100 0000 3900 0300 0100 0000 0b2a 59b4
0002 0460 b500 02b1 0000 0002 0012 0000
000a 0002 0000 000c 000a 000d 0013 0000
000c 0001 0000 000b 0014 0015 0000 0001
0017 0018 0001 0011 0000 00ae 0001 0005
0000 0018 043c 1b3d 063c 1cac 4d05 3c1b
3e06 3c1d ac3a 0406 3c19 04bf 0004 0000
0004 0008 0003 0000 0004 0011 0000 0008
000d 0011 0000 0011 0013 0011 0000 0002
0012 0000 002a 000a 0000 0012 0002 0013
0004 0018 0006 0013 0008 0014 0009 0015
000b 0016 000d 0018 000f 0016 0011 0018
0013 0000 0034 0005 0002 0006 0019 000e
0001 0009 0008 001a 001b 0002 000b 0006
0019 000e 0001 0000 0018 0014 0015 0000
0015 0003 0019 000e 0001 0009 001c 0010
0001 0011 0000 0025 0002 0000 0000 0009
b200 0412 06b6 0007 b100 0000 0100 1200
0000 0a00 0200 0000 1d00 0800 1e00 0100
1d00 0000 0200 1e

Running
the examples

public class ClassFileTest {

@Test
public void classfile() throws Exception {
File file = new File("/path/to/TestClass.class");
FileInputStream inputStream = new FileInputStream(file);
ClassReader.analyze(inputStream);
}
}

Output

magic = cafebabe
minorVersion = 0
majorVersion = 49
constantPoolCount = 48
cpInfo[1] = ConstantMethodRefInfo{classIndex=8, nameAndTypeIndex=31}
cpInfo[2] = ConstantFieldRefInfo{classIndex=5, nameAndTypeIndex=32}
cpInfo[3] = ConstantClassInfo{index=33}
cpInfo[4] = ConstantFieldRefInfo{classIndex=34, nameAndTypeIndex=35}
cpInfo[5] = ConstantClassInfo{index=36}
cpInfo[6] = ConstantClassInfo{index=37}
cpInfo[7] = ConstantMethodRefInfo{classIndex=38, nameAndTypeIndex=39}
cpInfo[8] = ConstantClassInfo{index=40}
cpInfo[9] = ConstantClassInfo{index=41}
cpInfo[10] = ConstantUtf8Info{bytesValue='TAG'}
cpInfo[11] = ConstantUtf8Info{bytesValue='Ljava/lang/String;'}
cpInfo[12] = ConstantUtf8Info{bytesValue='ConstantValue'}
cpInfo[13] = ConstantUtf8Info{bytesValue='num'}
cpInfo[14] = ConstantUtf8Info{bytesValue='I'}
cpInfo[15] = ConstantUtf8Info{bytesValue='<init>'}
cpInfo[16] = ConstantUtf8Info{bytesValue='()V'}
cpInfo[17] = ConstantUtf8Info{bytesValue='Code'}
cpInfo[18] = ConstantUtf8Info{bytesValue='LineNumberTable'}
cpInfo[19] = ConstantUtf8Info{bytesValue='LocalVariableTable'}
cpInfo[20] = ConstantUtf8Info{bytesValue='this'}
cpInfo[21] = ConstantUtf8Info{bytesValue='Lorg/tinylcy/TestClass;'}
cpInfo[22] = ConstantUtf8Info{bytesValue='inc'}
cpInfo[23] = ConstantUtf8Info{bytesValue='exception'}
cpInfo[24] = ConstantUtf8Info{bytesValue='()I'}
cpInfo[25] = ConstantUtf8Info{bytesValue='x'}
cpInfo[26] = ConstantUtf8Info{bytesValue='e'}
cpInfo[27] = ConstantUtf8Info{bytesValue='Ljava/lang/Exception;'}
cpInfo[28] = ConstantUtf8Info{bytesValue='showTag'}
cpInfo[29] = ConstantUtf8Info{bytesValue='SourceFile'}
cpInfo[30] = ConstantUtf8Info{bytesValue='TestClass.java'}
cpInfo[31] = ConstantNameAndTypeInfo{nameIndex=15, descriptorIndex=16}
cpInfo[32] = ConstantNameAndTypeInfo{nameIndex=13, descriptorIndex=14}
cpInfo[33] = ConstantUtf8Info{bytesValue='java/lang/Exception'}
cpInfo[34] = ConstantClassInfo{index=42}
cpInfo[35] = ConstantNameAndTypeInfo{nameIndex=43, descriptorIndex=44}
cpInfo[36] = ConstantUtf8Info{bytesValue='org/tinylcy/TestClass'}
cpInfo[37] = ConstantUtf8Info{bytesValue='tinylcy'}
cpInfo[38] = ConstantClassInfo{index=45}
cpInfo[39] = ConstantNameAndTypeInfo{nameIndex=46, descriptorIndex=47}
cpInfo[40] = ConstantUtf8Info{bytesValue='java/lang/Object'}
cpInfo[41] = ConstantUtf8Info{bytesValue='java/lang/Cloneable'}
cpInfo[42] = ConstantUtf8Info{bytesValue='java/lang/System'}
cpInfo[43] = ConstantUtf8Info{bytesValue='out'}
cpInfo[44] = ConstantUtf8Info{bytesValue='Ljava/io/PrintStream;'}
cpInfo[45] = ConstantUtf8Info{bytesValue='java/io/PrintStream'}
cpInfo[46] = ConstantUtf8Info{bytesValue='println'}
cpInfo[47] = ConstantUtf8Info{bytesValue='(Ljava/lang/String;)V'}
accessFlags = 21, public super
thisClass = 5, this class name = org/tinylcy/TestClass
superClass = 8, super class name = java/lang/Object
interfacesCount = 1
interfaces[0] = 9, interface name = java/lang/Cloneable
fieldsCount = 2
fields[0] = FieldInfo{accessFlags=25: public static final , nameIndex=10 [name = TAG], descriptorIndex=11 [descriptor = Ljava/lang/String;], attributesCount=1, attributes=[]}
fields[1] = FieldInfo{accessFlags=2: private , nameIndex=13 [name = num], descriptorIndex=14 [descriptor = I], attributesCount=0, attributes=[]}
methodsCount = 4
methods[0] = MethodInfo{accessFlags=1: public , nameIndex=15 [name = <init>], descriptorIndex=16 [descriptor = ()V], attributesCount=1, attributes=[Code{attributeNameIndex=17 [attribute name = Code], attributeLength=47, maxStack=1, maxLocals=1, codeLength=5, code=[42, -73, 0, 1, -79], exceptionTableLength=0, exceptionTable=[], attributesCount=2, attributes=[LineNumberTable{attributeNameIndex=18 [attribute name = LineNumberTable], attributeLength=6, lineNumberTableLength=1, lineNumberTable=[LineNumberInfo{startPc=0, lineNumber=6}]}, LocalVariableTable{attributeNameIndex=19 [attribute name = LocalVariableTable], attributeLength=12, localVariableTableLength=1}]}]}
methods[1] = MethodInfo{accessFlags=1: public , nameIndex=22 [name = inc], descriptorIndex=16 [descriptor = ()V], attributesCount=1, attributes=[Code{attributeNameIndex=17 [attribute name = Code], attributeLength=57, maxStack=3, maxLocals=1, codeLength=11, code=[42, 89, -76, 0, 2, 4, 96, -75, 0, 2, -79], exceptionTableLength=0, exceptionTable=[], attributesCount=2, attributes=[LineNumberTable{attributeNameIndex=18 [attribute name = LineNumberTable], attributeLength=10, lineNumberTableLength=2, lineNumberTable=[LineNumberInfo{startPc=0, lineNumber=12}, LineNumberInfo{startPc=10, lineNumber=13}]}, LocalVariableTable{attributeNameIndex=19 [attribute name = LocalVariableTable], attributeLength=12, localVariableTableLength=1}]}]}
methods[2] = MethodInfo{accessFlags=1: public , nameIndex=23 [name = exception], descriptorIndex=24 [descriptor = ()I], attributesCount=1, attributes=[Code{attributeNameIndex=17 [attribute name = Code], attributeLength=174, maxStack=1, maxLocals=5, codeLength=24, code=[4, 60, 27, 61, 6, 60, 28, -84, 77, 5, 60, 27, 62, 6, 60, 29, -84, 58, 4, 6, 60, 25, 4, -65], exceptionTableLength=4, exceptionTable=[ExceptionInfo{startPc=0, endPc=4, handlerPc=8, catchType=3}, ExceptionInfo{startPc=0, endPc=4, handlerPc=17, catchType=0}, ExceptionInfo{startPc=8, endPc=13, handlerPc=17, catchType=0}, ExceptionInfo{startPc=17, endPc=19, handlerPc=17, catchType=0}], attributesCount=2, attributes=[LineNumberTable{attributeNameIndex=18 [attribute name = LineNumberTable], attributeLength=42, lineNumberTableLength=10, lineNumberTable=[LineNumberInfo{startPc=0, lineNumber=18}, LineNumberInfo{startPc=2, lineNumber=19}, LineNumberInfo{startPc=4, lineNumber=24}, LineNumberInfo{startPc=6, lineNumber=19}, LineNumberInfo{startPc=8, lineNumber=20}, LineNumberInfo{startPc=9, lineNumber=21}, LineNumberInfo{startPc=11, lineNumber=22}, LineNumberInfo{startPc=13, lineNumber=24}, LineNumberInfo{startPc=15, lineNumber=22}, LineNumberInfo{startPc=17, lineNumber=24}]}, LocalVariableTable{attributeNameIndex=19 [attribute name = LocalVariableTable], attributeLength=52, localVariableTableLength=5}]}]}
methods[3] = MethodInfo{accessFlags=9: public static , nameIndex=28 [name = showTag], descriptorIndex=16 [descriptor = ()V], attributesCount=1, attributes=[Code{attributeNameIndex=17 [attribute name = Code], attributeLength=37, maxStack=2, maxLocals=0, codeLength=9, code=[-78, 0, 4, 18, 6, -74, 0, 7, -79], exceptionTableLength=0, exceptionTable=[], attributesCount=1, attributes=[LineNumberTable{attributeNameIndex=18 [attribute name = LineNumberTable], attributeLength=10, lineNumberTableLength=2, lineNumberTable=[LineNumberInfo{startPc=0, lineNumber=29}, LineNumberInfo{startPc=8, lineNumber=30}]}]}]}
attributesCount = 1
attributes[0] = SourceFile{attributeNameIndex=29 [attribute name = SourceFile], attributeLength=2, sourceFileIndex=30}

Bytes
analysis

cafe babe : magic
0000 : minor version
0034 : major version

0030 : constant pool count
0a : tag
00 08 : class index
00 1f : nameAndType index
09 : tag
0005 : class index
0020 : nameAndType index
07 : tag
00 21 : index
09 : tag
0022 : class index
0023 : nameAndType index
07 : tag
00 24 : index
08 : tag
0025 : index
0a : tag
0026 : class index
0027 : nameAndType index
07 : tag
0028 : index
07 : tag
00 29 : index
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43 6f6e 7374 616e 7456 616c 7565 : bytes
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标签： java classLoader

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