类文件结构
Class 文件的核心作用
Class 文件是 Java 虚拟机可理解的字节码文件，是 Java 实现跨平台的关键。它不依赖特定处理器，仅面向虚拟机，多种语言（如 Kotlin、Groovy、Scala 等）可通过各自编译器编译为 Class 文件，最终在 JVM 上运行，成为不同语言与 JVM 之间的桥梁。
Class 文件整体结构
Class 文件结构固定，遵循 ClassFile 结构体定义，按顺序包含 10 个核心组件：魔数、类文件版本号、常量池、访问标志、当前类 / 父类 / 接口索引集合、字段表集合、方法表集合、属性表集合，各组件通过固定长度的无符号整数（u1、u2、u4 分别表示 1、2、4 字节）标识长度和内容，结构严谨且无冗余。
核心组件详解
（1）魔数（Magic Number）
位于 Class 文件开头 4 字节，固定值为 0xCAFEBABE，作用是标识文件是否为 JVM 可识别的 Class 文件，非该魔数开头的文件会被 JVM 拒绝加载。
（2）类文件版本号
紧跟魔数的 4 字节，前 2 字节为次版本号（Minor Version），后 2 字节为主版本号（Major Version）。主版本号随 Java 大版本递增（如 Java 8 对应主版本号 52），高版本 JVM 可兼容低版本 Class 文件，低版本 JVM 无法运行高版本 Class 文件，需保证开发与生产环境 JDK 版本一致。
（3）常量池（Constant Pool）
版本号之后的核心区域，是 Class 文件中占用空间最大的部分之一。常量池计数器（constant_pool_count）从 1 开始计数，实际常量数量为计数器值减 1（索引 0 表示 "不引用任何常量"），主要存储字面量（文本字符串、final 常量值等）和符号引用（类 / 接口全限定名、字段 / 方法的名称和描述符等）。每个常量以 1 字节的标志位（tag）区分类型，共 14 种常量类型（如 CONSTANT_UTF8_info 表示 UTF-8 字符串、CONSTANT_MethodRef_info 表示方法符号引用）。
（4）访问标志（Access Flags）
占 2 字节，用于标识类 / 接口的访问属性，如是否为 public、final、abstract、接口、枚举、注解等（如 ACC_PUBLIC 对应 0x0001、ACC_INTERFACE 对应 0x0200），通过标志位组合表示多重属性。
（5）当前类、父类、接口索引集合
- 当前类索引（this_class）和父类索引（super_class）各占 2 字节，分别指向常量池中类的全限定名，Java 单继承特性决定父类索引仅一个（除 java.lang.Object 外，所有类的父类索引均非 0）。
- 接口索引集合包含接口计数器（interfaces_count）和接口索引数组，按 implements/extends 后的顺序存储实现的接口索引，标识类实现的所有接口。
（6）字段表集合（Fields）
存储类的字段信息（类变量和实例变量，不含局部变量），包含字段计数器（fields_count）和字段表数组（field_info）。每个字段表包含访问标志（如 public、static、final、volatile 等）、名称索引（指向常量池中的字段名）、描述符索引（指向常量池中的字段数据类型描述）、属性计数器及属性表，描述字段的修饰符、名称和类型。
（7）方法表集合（Methods）
存储类的方法信息，结构与字段表类似，包含方法计数器（methods_count）和方法表数组（method_info）。每个方法表包含访问标志（如 public、static、synchronized、native、abstract 等，无 volatile 和 transient 标志）、名称索引（方法名）、描述符索引（方法参数和返回值类型描述）、属性计数器及属性表，描述方法的修饰符、名称、参数和返回值信息。
（8）属性表集合（Attributes）
可附加在 Class 文件、字段表、方法表中，用于存储额外专有信息（如方法体代码、异常表、注解等）。属性表无固定顺序，JVM 会忽略不认识的属性，编译器可自定义属性，增强扩展性。
Class 文件查看工具
可通过 javap -v 类名 命令查看 Class 文件的详细结构（如版本号、常量池、访问标志等），或使用 IDEA 插件 jclasslib 直观查看类的基本信息、常量池、字段、方法、属性等内容，便于字节码分析。
类加载过程
类的生命周期
类的生命周期包含 7 个阶段，按顺序为加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）、卸载（Unloading），其中验证、准备、解析统称为连接（Linking）阶段，核心流程为 "加载→连接→初始化→使用→卸载"。
加载阶段
加载是类加载的第一步，核心完成三件事：通过全类名获取类的二进制字节流（来源灵活，如 JAR 包、网络、动态生成等）；将字节流的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构；在内存中生成代表该类的 Class 对象，作为方法区数据的访问入口。加载由类加载器完成，遵循双亲委派模型（可打破），非数组类的加载可控性强，可自定义类加载器重写 loadClass () 方法控制字节流获取，加载与连接阶段部分动作可能交叉进行。
验证阶段
验证是连接阶段的第一步，目的是确保 Class 文件字节流符合《Java 虚拟机规范》，避免恶意代码危害虚拟机安全，耗费资源较多但可通过 -Xverify:none（JDK13 后 deprecated）关闭大部分验证。验证分四个阶段：文件格式验证（检查字节流格式，如魔数、版本号）、元数据验证（语义检查，如类是否有父类、是否继承 final 类）、字节码验证（程序逻辑检查，如参数类型、类型转换合法性）、符号引用验证（检查依赖类 / 方法 / 字段是否存在及权限，发生在解析阶段，失败抛出 IllegalAccessError 等异常）。
准备阶段
准备阶段为类变量（静态变量）分配内存并设置初始零值，内存分配位置随版本变化：JDK7 前在永久代（方法区实现），JDK7 及后随 Class 对象存于堆中，实例变量不在此阶段分配（对象实例化时分配于堆）。初始零值为数据类型默认值（如 int 为 0、boolean 为 false），特殊情况：被 final 修饰的静态常量，准备阶段直接赋值为指定值（非零值）。
解析阶段
解析阶段将常量池中的符号引用替换为直接引用：符号引用是无歧义描述目标的符号（与内存布局无关，目标未必已加载），直接引用是指向目标的指针、偏移量或句柄（与内存布局相关，目标必已存在）。解析动作针对类 / 接口、字段、类方法等 7 类符号引用，例如将方法的符号引用转换为方法表中的偏移量，确保方法可被调用。
初始化阶段
初始化是类加载的最后一步，核心是执行编译器自动生成的 <clinit>() 方法，真正执行类中定义的 Java 代码。虚拟机保证 <clinit>() 方法线程安全（带锁），多线程初始化可能导致阻塞。必须触发初始化的 6 种场景：执行 new、getstatic 等 4 条字节码指令；反射调用类；初始化子类时父类未初始化；虚拟机启动时的主类（含 main 方法）；使用 MethodHandle/VarHandle 前初始化目标类；接口有默认方法时，其实现类初始化前先初始化接口。
类卸载阶段
类卸载即 Class 对象被 GC，需满足三个条件：堆中无该类的任何实例；该类无任何地方被引用；加载该类的类加载器实例已被 GC。JVM 自带的类加载器（如 BootstrapClassLoader）加载的类不会卸载，自定义类加载器加载的类满足条件时可被卸载。