1. Class文件数据类型

根据Java虚拟机规范规定，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。

无符号数

无符号数属于基本的数据类型，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

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，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，整个Class文件本质上就是一张表。

2. Class文件结构

每一个Class文件对应于一个如下所示的ClassFile结构体。

ClassFile {
    u4 magic;
    u2 minor_version;
    u2 major_version;
    u2 constant_pool_count;
    cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
    u2 access_flags;
    u2 this_class;
    u2 super_class;
    u2 interfaces_count;
    u2 interfaces[interfaces_count];
    u2 fields_count;
    field_info fields[fields_count];
    u2 methods_count;
    method_info methods[methods_count];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

2.1. 魔数

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。

2.2. 版本号

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（Minor Version）
第7和第8个字节是主版本号（Major Version）

2.3. 常量池(cp_info)

常量池中包含了与文件中类和接口相关的常量。
常量池中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和 符号引用（Symbolic References）。

2.3.1. 字面量

文本字符串、声明为final的常量值等。

2.3.2. 符号引用

符号引用属于编译原理方面的改了，包括下面三类常量：

• 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

全限定名
当常量池入口指向类或接口时，它们给出该类或者接口的全限定名。在class文件中，全限定名的点用斜线取代了。例如，在class文件中，java.lang.Object的全限定名表示为java/lang/Object; 在class文件中，java.util.Hashtable的全限定名表示为java/util/Hashtable。

简单名称
字段名和方法名以简单名称（非全限定名）形式出现在常量池入口。例如，一个指向类java.lang.Object所属方法String toString()的常量池入口有一个形如"toString"的方法名。一个指向类java.lang.System所属字段java.io.PrintStream out的常量池入口有一个形如“out”的字段名。

描述符
字段的描述符给出了字段的类型；方法描述符给出了方法的返回值和方法参数的数量、类型以及顺序。

基本类型字符解释表

字段描述符示例

方法描述符示例

2.3.3. 常量池的项目类型

常量池包括以下项目：

2.3.3.1. CONSTANT_Utf8_info

用于表示字符串常量的值，结构如下：

CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag;// 值为1
    u2 length;// bytes[]数组的长度
    u1 bytes[length];
}

2.3.3.2. CONSTANT_Integer_info

CONSTANT_Integer_info {
    u1 tag;// 值为3
    u4 bytes;// 按照高位在前存储的int值
}

2.3.3.3 CONSTANT_Float_info

CONSTANT_Float_info {
    u1 tag;// 值为4
    u2 bytes;// 按照高位在前存储的float值
}

2.3.3.4. CONSTANT_Long_info

CONSTANT_Long_info {
    u1 tag;// 值为5
    u8 bytes;// 按照高位在前存储的long值
}

2.3.3.5. CONSTANT_Double_info

CONSTANT_Double_info {
    u1 tag;// 值为6
    u8 bytes;// 按照高位在前存储的double值
}

2.3.3.6. CONSTANT_Class_info

用于表示类或接口，结构如下：

CONSTANT_Class_info {
    u1 tag;// 值为7
    u2 name_index;// 包含类或者接口全限定名的CONSTANT_Utf8_info表的索引
}

2.3.3.7. CONSTANT_String_info

用于表示java.lang.String类型的常量对象，结构如下：

CONSTANT_String_info {
    u1 tag;// 值为8
    u2 string_index;
}

2.3.3.8. CONSTANT_Fieldref_info

CONSTANT_Fieldref_info {
    u1 tag;// 值为9
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

2.3.3.9. CONSTANT_Methodref_info

CONSTANT_Methodref_info {
    u1 tag;// 值为10
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

2.3.3.10. CONSTANT_InterfaceMethodref_info

CONSTANT_InterfaceMethodref_info {
    u1 tag;// 值为11
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

2.3.3.11. CONSTANT_NameAndType_info

用于表示字段或方法，结构如下：

CONSTANT_NameAndType_info {
    u1 tag;//值为12
    u2 name_index;
    u2 descriptor_index;
}

2.3.3.12. CONSTANT_MethodHandle_info

用于表示方法句柄，结构如下：

CONSTANT_MethodHandle_info {
    u1 tag;// 值为15
    u1 reference_kind;// 值必须在1至9之间（包括1和9），它决定了方法句柄的类型。方法句柄类型的值表示方法句柄的字节码行为
    u2 reference_index;
}

2.3.3.13. CONSTANT_MethodType_info

用于表示方法类型，结构如下：

CONSTANT_MethodType_info {
    u1 tag;//值为16
    u2 descriptor_index;
}

2.3.3.14. CONSTANT_InvokeDynamic_info

用于表示invokedynamic指令所使用到的引导方法（Bootstrap Method）、引导方法使用到动态调用名称（Dynamic Invocation Name）、参数和请求返回类型、以及可以选择性的附加被称为静态参数（Static Arguments）的常量序列。

CONSTANT_InvokeDynamic_info {
    u1 tag;//值为18
    u2 bootstrap_method_attr_index;
    u2 name_and_type_index;
}

2.4. 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。

2.5. 类索引、父类索引与接口索引集合

类索引、父类索引与接口索引集合都顺序排列在访问标志之后。
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文件由这三项数据来确定这个类的继承关系。

2.6. 字段

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变量，但不包括方法内部声明的局部变量。

field_info结构格式如下：

field_info {
    u2 access_flags;
    u2 name_index;// 简单名称索引
    u2 descriptor_index;//描述符索引
    u2 attribute_count;// 当前字段附加属性的数量
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

attributes项是由多个attribute_info表组成的列表。attributes_count指出列表中attribute_info表的数量。一个字段在其列表中可以有任意数量的属性。由Java虚拟机规范定义的三种可能会出现在此项中的属性是：ConstantValue、Deprecated和Synthetic。Java虚拟机唯一需要识别的属性是ConstantValue属性。虚拟机实现必须忽略任何无法识别的属性。

2.7. 方法

所有的方法（Method），包括实例初始化方法和类初始化方法在内，都由method_info结构所定义。在一个Class文件中，不会有两个方法同时具有相同的方法名和描述符。

method_info结构格式如下：

method_info {
    u2 access_flags;
    u2 name_index;
    u2 descriptor_index;
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

有可能在class文件中出现的两种编译器产生的方法是：实例初始化方法（名为<init>）和类与接口初始化方法（名为<clinit>）。

在此项中可能会出现的由Java虚拟机规范定义的四种属性是：Code、Deprecated、Exceptions和Synthetic。Java虚拟机只需要识别Code和Exception属性。虚拟机实现必须忽略任何无法识别的属性。

2.8. 属性

属性（Attributes）在Class文件格式中的ClassFile结构、field_info结构、method_info结构和Code_attribute结构都有使用，所有属性的通用格式如下：

attribute_info {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u1 info[attribute_length];// 属性数据
}

由规范定义的attribute_info表的类型：

2.8.1. Code属性

Code属性是一个变长属性，位于method_info结构的属性表。定义了方法的字节码序列和其他信息。

一个Code属性只为唯一一个方法、实例类初始化方法或类初始化方法保存Java虚拟机指令及相关辅助信息。所有Java虚拟机实现都必须能够识别Code属性。如果方法被声明为native或者abstract类型，那么对应的method_info结构不能有明确的Code属性，其它情况下，method_info必须有明确的Code属性。

Code属性的格式如下：

Code_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 max_stack;// 当前方法的操作数栈在运行执行的任何时间点的最大深度
    u2 max_locals;// 分配在当前方法引用的局部变量表中的局部变量的个数，包括调用此方法时用于传递参数的局部变量
    u4 code_length;
    u1 code[code_length];//当前方法的Java虚拟机字节码
    u2 exception_table_length;
    {
        u2 start_pc;
        u2 end_pc;
        u2 handler_pc;
        u2 catch_type;
    } exception_table[exception_table_length];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

2.8.2. ConstantValue属性

ConstantValue属性是定长属性，位于field_info结构的属性表中。ConstantValue属性表示一个常量字段的值。在一个field_info结构的属性表中最多只能有一个ConstantValue属性。

ConstantValue属性的格式如下：

ConstantValue_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length; 
    u2 constantvalue_index;
}

2.8.3. Deprecated属性

Deprecated属性是可选定长属性。

Deprecated_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;//固定为0
}

2.8.4. Exceptions属性

Exceptions属性是一个变长属性，它位于method_info结构的属性表中。Exceptions属性指出了一个方法需要检查的可能抛出的异常。一个method_info结构中最多只能有一个Exceptions属性。

Exceptions属性格式如下：

Exceptions_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 number_of_exceptions;
    u2 exception_index_table[number_of_exceptions];
}

2.8.5. InnerClasses属性

InnerClasses属性是一个变长属性，位于ClassFile结构的属性表。
InnerClasses属性是在JDK1.1中为了支持内部类和内部接口而引入的。

InnerClasses_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 number_of_classes;
    {
        u2 inner_class_info_index;
        u2 outer_class_info_index;
        u2 inner_name_index;
        u2 inner_class_access_flags;
    }
} classes[number_of_classes];

2.8.6. LineNumberTable属性

LineNumberTable属性是可选变长属性，位于Code结构的属性表。它被调试器用于确定源文件中行号表示的内容在Java虚拟机的code[]数组中对应的部分。
LineNumberTable_attribute属性格式如下：

LineNumberTable_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 line_number_table_length;
    {
        u2 start_pc;
        u2 line_number;
    } line_number_table[line_number_table_length];
}

2.8.7. LocalVariableTable属性

LocalVariableTable是可选变长属性，位于Code属性的属性表中。它被调试器用于确定方法在执行过程中局部变量的信息。
LocalVariableTable属性格式如下：

LocalVariableTable_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 local_variable_table_length;
    {
        u2 start_pc;
        u2 length;
        u2 name_index;
        u2 descriptor_index;
        u2 index;
    } local_variable_table[local_variable_table_length];
}

2.8.8. SourceFile属性

SourceFile属性是可选定长字段，位于ClassFile结构的属性表。一个ClassFile结构中的属性表最多只能包含一个SourceFile属性。
SourceFile属性格式如下：

 SourceFile_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 sourcefile_index;
}

2.8.8. Synthetic属性

Synthetic属性是定长属性，位于ClassFile中的属性表。如果一个类成员没有在源文件中出现，则必须标记带有Synthetic属性，或者设置ACC_SYNTHETIC标志。
Synthetic_attribute属性的格式如下：

Synthetic_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
}

参考：
《深入理解Java虚拟机_JVM高级特性与最佳实践 第2版》
《深入Java虚拟机》
《Java虚拟机规范（Java SE 7）》